原子层沉积MgO实现黑磷高效稳定n型掺杂及高性能CMOS 反相器

廖武刚

2018-09-07

第一作者：廖武刚、王林

通讯作者：Chun-Xiang Zhu、Kah-Wee Ang

通讯单位：新加坡国立大学

研究亮点：

1. 原子层沉积MgO实现黑磷高效稳定n型掺杂。

2. 在单片BP上实现高性能CMOS反相器。

随着传统硅基场效应晶体管（FET）的特征尺寸快速逼近其理论极限，摩尔定律难以为继，于是科学家们在不断地探索新的器件结构及新的晶体管沟道材料。二维层状材料黑磷（BP: Black Phosphorus）由于其带隙可调（0.3~2.0 eV），各向异性以及良好的空穴迁移率(室温下可达1000 cm²/Vs)等优异性能，使其在未来纳米晶体管中具有广阔应用前景。

然而，BP FETs通常表现为空穴主导特性（p型），导致基于单片BP的CMOS器件难以实现。

有鉴于此，新加坡国立大学的Chun-Xiang Zhu教授和Kah-Wee Ang教授等人提出一种表面电荷转移掺杂的方式实现了对BP的高效稳定n型掺杂。

图1 BP FET的AFM图、转移曲线、电流最小时电压值（V_min）和电子迁移率

研究人员在层状BP表面通过原子层沉积（ALD）氧化镁（MgO）薄层，发现BP FET的电子传导特性显著提高，同时空穴传导则被明显抑制，从而实现黑磷高性能单极n型晶体管制备；并在此基础上制备了高性能BP CMOS反相器（inverter），其表现出逻辑电平匹配（logic-level matching），低工作电压（< 0.5 V），高电压增益和低功耗等优异性能。

原子层沉积MgO的厚度对于BP的n-doping会产生重要影响。通过研究不同厚度MgO下BP FET的转移特性曲线（图1），作者得出不同厚度下电子迁移率的变化表征，揭示了MgO厚度对于BP FET的载流子类型及浓度具有重要的调控作用，发现当原子层沉积MgO厚度为20 nm时，电子迁移率接近100 cm²/Vs。同时，作者发现采用原子层沉积MgO实现的n型 BP FET体现出优异的稳定性能（放置四个月性能并未衰减）。

作者进一步对在单片BP薄层上制备了p-n二极管（diode）和互补型反相器（inverter）。基于n型和p型BP FET的小且对称的阈值电压特性（图2），所制备的CMOS BP反相器表现出非常优异的性能，包括低的工作电压（V_DD低至0.3 V），高电压增益（5.7 @ V_DD= 1.5 V），逻辑电平匹配以及低功耗（~15 nW @ V_DD= 0.5 V）等。

图 2 p-n二极管（diode）和互补型反相器

他们还研究了CMOS BP 反相器的动态响应特性（图3），其发现BP 反相器在低频下展现出优异的频率响应特性，而在高频下由于寄生电容和寄生电阻的存在，导致较明显延迟响应。作者通过提取相应电容和电阻值进一步计算得出器件的本征延迟时间为 ~65 ns，最高工作频率可达到2.4 MHz。

图 3 V_DD= 1.5 V下CMOS BP 反相器的输入输出特性

总之，本文提出了一种表面电荷转移掺杂的方式，实现了对BP的高效稳定n型掺杂，进一步实现了高性能CMOS反相器。。

参考文献：

Liao W, Lin W, Chen L, et al. Efficient and reliable surface charge transfer doping of black phosphorus via atomic layer deposited MgO toward high performance complementary circuits[J]. Nanoscale, 2018.

DOI：10.1039/C8NR04420A

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/nr/c8nr04420a