[论文解读] Black Phosphorus p-MOSFETs with High Transconductance and Nearly Ideal Subthreshold Slope

Nazila Haratipour, Matthew C. Robbins+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2014

2D Materials and Applications参考文献 9被引用 10

一句话总结

本论文展示了采用局部图案化背栅和HfO2介电层的高性能黑磷p-MOSFET，实现了在Vds = -3 V时101 μS/μm的创纪录的外禀跨导，以及在室温下接近理想的66 mV/decade的亚阈值斜率。采用7-nm HfO2和0.3-μm栅长的器件实现了204 μS/μm的跨导，展现出二维半导体晶体管的卓越性能。

ABSTRACT

We report record performance for black phosphorus p-MOSFETs. The devices have locally patterned back gates and 20-nm-thick HfO2 gate dielectrics. Devices with effective gate length, Leff = 1.0 um display extrinsic transconductance, gm, of 101 uS/um at a drain-to-source bias voltage, Vds = -3 V. Temperature-dependent analysis also shows that the subthreshold slope, SS, is nearly ideal, with a minimum value of SS = 66 mV/decade at room temperature and Vds = -0.1 V. Furthermore, devices with 7-nm HfO2 dielectrics and Leff = 0.3 um displayed gm as high as 204 uS/um at Vds = -1.5 V.

研究动机与目标

• 开发基于黑磷的高性能p型MOSFET，黑磷是一种具有高空穴迁移率的有前途的二维半导体。
• 通过优化介电层和栅极结构，克服二维材料晶体管在亚阈值摆幅和跨导方面的局限性。
• 在室温下展示黑磷p-MOSFET的近乎理想亚阈值特性与高跨导。
• 通过减小栅介质厚度和有效栅长，探索黑磷晶体管的可扩展性。

提出的方法

• 采用机械剥离法制备薄层、少层黑磷纳米片，制造黑磷p-MOSFET。
• 实施局部图案化背栅，以实现精确的静电调控并降低寄生电阻。
• 利用原子层沉积法生长20-nm和7-nm的HfO2介电层，作为高κ栅介质。
• 在不同漏源电压（Vds）和温度下测量器件特性，以提取跨导和亚阈值斜率。
• 通过温度依赖性分析，评估半导体-介质界面的本征质量和亚阈值行为。
• 从不同Vds和温度下的转移特性中提取外禀跨导（gm）和亚阈值斜率（SS）。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑磷p-MOSFET能否实现与传统硅基器件相当的高跨导？
• RQ2 黑磷p-MOSFET中可实现的最小亚阈值斜率是多少？在室温下是否趋近于理想的60 mV/decade？
• RQ3 减小栅介质厚度和有效栅长对跨导和亚阈值性能有何影响？
• RQ4 黑磷与HfO2之间的界面质量在多大程度上影响器件性能？
• RQ5 黑磷p-MOSFET在栅尺寸缩小后能否保持高性能？

主要发现

• 采用20-nm HfO2和Leff = 1.0 μm的黑磷p-MOSFET在Vds = -3 V时实现了101 μS/μm的外禀跨导。
• 在室温下Vds = -0.1 V时，亚阈值斜率最低达到66 mV/decade，表明接近理想的开关行为。
• 采用7-nm HfO2介质和Leff = 0.3 μm的器件在Vds = -1.5 V时实现了204 μS/μm的峰值外禀跨导。
• 温度依赖性测量证实界面陷阱密度较低，且半导体-介质界面质量优异。
• 结果表明，黑磷是二维电子学中高性能、低功耗p型晶体管的有力候选材料。
• 性能指标，尤其是跨导和亚阈值斜率，为发表时黑磷p-MOSFET的最高记录。