近日，我院微电子系杨伟锋教授团队与新加坡国立大学等合作，在半导体晶体管掺杂调控领域研究取得最新进展，相关结果以“Threshold Voltage Modulation in Monolayer MoS2Field-effect Transistorsvia Selective Gallium Ion Beam Irradiation”为题发表于由中国科学院和国家自然科学基金委员会联合主办的国产期刊《SCIENCE CHINA Materials》（IF 8.2，JCR一区，TOP期刊）。这是杨伟锋教授团队继《Nature Physics》、《Energy Storage Materials》、《ACS Nano》、《Nanoscale》、《Applied Physics Letters》等发表后，在新型半导体材料与器件研究领域的又一个重要成果。
随着半导体技术的快速发展，芯片上集成晶体管的数量和尺寸遵循摩尔定律已趋近纳米量级，也因此对当前半导体制造工艺提出了新的技术挑战——如何在半导体表面进行纳米尺度掺杂并精确调控其器件性能，对于新一代半导体芯片发展非常重要。具有半导体特性的二维过渡金属硫代物(TMDCs)，由于其具有缓解短沟道效应的原子层厚度的维度、带隙可调和独特的载流子传输特性等优势，被认为是下一代光电子学和电子学的关键候选材料。杨伟锋教授团队以二硫化钼（MoS2）为实验材料，国际上首次采用聚焦低能量镓离子束（FIB）辐照原子层厚度半导体，实现离子注入掺杂。通过拉曼光谱、X射线光电子能谱和第一性原理计算等分析，证实该技术实现了对半导体纳米尺度的工艺掺杂，可调节半导体的电子能级。课题组也制备背栅单层MoS2场效应晶体管，研究发现在镓离子注入后，原子层晶体管的阈值电压实现了超过70伏特迁移，从器件方面证实了该聚焦离子束辐照技术可通过对半导体的掺杂，精确地调控半导体晶体管的电子性能。该离子注入掺杂工艺技术具备浓度可控、无需掩模版和图形可直写等优点，能实现原子层深度的复杂图样区域性掺杂，为新一代半导体芯片制备工艺提供了一种便捷的新调控技术。
（a）镓离子注入系统示意图。(b) MoS2层中Ga、Mo的SIMS深度分布。(c) MoS2中离子扩散深度与辐照能量的关系。（d, e）不同注入时间下的银娱优越会717100周年校庆标志。(f)MoS2晶体管沟道长度与接触电阻的关系，插图是MoS2晶体管的光学照片。(g) 剂量浓度和晶体管阈值电压的关系。
论文的第一署名单位为银娱优越会717，通讯作者为我院杨伟锋教授。课题组研究得到了福建省闽江学者计划项目、福建省引才引智计划项目、国家自然科学基金项目和企业横向合作基金项目的支持。
全文链接：https://doi.org/10.1007/s40843-021-1782-y
（图文：杨伟锋课题组）
