當(dāng)今科技迅猛發(fā)展，電子器件的小型化和性能提升是科研人員的追逐。其中，晶體管是當(dāng)代電子設(shè)備中的核心組件，其尺寸微縮和性能提升直接關(guān)系到整個(gè)電子行業(yè)的進(jìn)步。與此同時(shí)，硅基場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的性能逐漸逼近本征物理極限，國(guó)際半導(dǎo)體器件與系統(tǒng)路線圖（IRDS）預(yù)測(cè)硅基晶體管的柵長(zhǎng)最小可縮短至12 nm，工作電壓不低于0.6 V，這決定了未來硅基芯片縮放過程結(jié)束時(shí)的極限集成密度和功耗。因此，迫切需要發(fā)展新型溝道材料來延續(xù)摩爾定律。

　　二維（2D）半導(dǎo)體具備可拓展性、可轉(zhuǎn)移性、原子級(jí)層厚和相對(duì)較高的載流子遷移率，被視為超越硅基器件的下一代電子器件的理想選擇。近年來，先進(jìn)的半導(dǎo)體制造公司和研究機(jī)構(gòu)，都在對(duì)二維材料進(jìn)行研究。Lake Shore的低溫探針臺(tái)系列產(chǎn)品可容納最大1英寸（25.4mm）甚至8英寸的樣品，可以為二維半導(dǎo)體材料研究提供精準(zhǔn)的溫度磁場(chǎng)控制及精確可重復(fù)的測(cè)量，是全球科研工作者的值得信賴的工具。本文我們將結(jié)合近期Nature、Nature electronics期刊中的前沿成果，一起領(lǐng)略Lake Shore低溫探針臺(tái)系列產(chǎn)品在二維晶體管革新中的應(yīng)用吧！

圖1. Lake Shore低溫探針臺(tái)

1. 探針臺(tái)電學(xué)測(cè)量揭秘最快二維晶體管——彈道InSe晶體管

　　對(duì)于二維半導(dǎo)體晶體管的速度和功耗方面的探索，北京大學(xué)電子學(xué)院彭練矛院士，邱晨光研究員課題組報(bào)道了一種以2D硒化銦InSe為溝道材料的高熱速度場(chǎng)效應(yīng)晶體管，使得二維晶體管實(shí)際性能超過Intel商用10納米節(jié)點(diǎn)的硅基FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管），并將工作電壓下降到0.5V，稱為迄今速度最快、能耗低的二維半導(dǎo)體晶體管。相關(guān)研究成功以“Ballistic two-dimensional InSe transistors"為題發(fā)表于《Nature》上。

　　基于Lake Shore 低溫探針臺(tái)完成的電學(xué)測(cè)試表明，在0.5 V工作電壓下，InSe FET具有6 mS·μm^-1的高跨導(dǎo)和飽和區(qū)83%的室溫彈道比，超過了任何已報(bào)道的硅基晶體管。實(shí)現(xiàn)低亞閾值擺幅(SS)為每75 mV·dec^-1，漏極誘導(dǎo)的勢(shì)壘降低(DIBL)為22  mV·V^-1。此外，10nm彈道InSe FET中可靠地提取了62 Ω·μm的低接觸電阻，可實(shí)現(xiàn)更小的固有延遲和更低的能量延遲積(EDP)，遠(yuǎn)低于預(yù)測(cè)的硅極限。

　　這項(xiàng)工作證實(shí)了2D FET可以提供接近理論預(yù)測(cè)的實(shí)際性能，在實(shí)驗(yàn)上證明了二維器件性能和功效上由于先進(jìn)硅基技術(shù)，為2D FET發(fā)展注入信心和活力。

2. 探針臺(tái)光電測(cè)量揭示光活性高介電常數(shù)柵極電介質(zhì)——2D鈣鈦礦氧化物SNO

　　與2D半導(dǎo)體兼容的高介電常數(shù)的柵極電介質(zhì)，對(duì)縮小光電器件尺寸至關(guān)重要。然而傳統(tǒng)三維電介質(zhì)由于懸掛鍵的存在很難與2D材料兼容。為解決以上問題，復(fù)旦大學(xué)方曉生教授等人進(jìn)行了大量研究實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通過自上而下方式制備的2D鈣鈦礦氧化物Sr₁₀Nb₃O₁₀（SNO）具有高介電常數(shù)（24.6）、適中帶隙、分層結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，可通過溫和轉(zhuǎn)移的方法，與各種2D溝道材料（包括石墨烯、MoS₂，WS₂和WSe₂）等構(gòu)建高效能的光電晶體管。文章以“Two-dimensional perovskite oxide as a photoactive high-κ gate dielectric"為題發(fā)表在Nature electronics上。

圖3. 具有SNO頂柵介電層的雙柵WS2光電晶體管的電特性和光響應(yīng)

　　基于Lake Shore探針臺(tái)的光電測(cè)試表明，SNO作為頂柵介電材料，與多種通道材料兼容， 集成光電晶體管具有的光電性能。MoS₂晶體管的開/關(guān)比為106，電源電壓為2V，亞閾值擺幅為88?mV·dec^-1。在可見光或紫外光照射下，WS₂光電晶體管的光電流與暗電流比為~106，紫外(UV)響應(yīng)度為5.5?×?103?A·W^-1，這是由于柵極控制和光活性柵極電介質(zhì)電荷轉(zhuǎn)移的共同作用。本研究展示了2D鈣鈦礦氧化物Sr₂Nb₃O₁₀（SNO）作為光活性高介電常數(shù)介質(zhì)在光電晶體管中的廣泛應(yīng)用潛力。

3. 探針臺(tái)電學(xué)測(cè)量探索200毫米晶圓級(jí)集成——多晶MoS₂晶體管

　　二維半導(dǎo)體，例如過渡金屬硫族化合物（TMDs），是一類很有潛力的溝道材料，然而單器件演示采用的單晶二維薄膜，均勻大規(guī)模生長(zhǎng)仍具挑戰(zhàn)，無法應(yīng)用于大尺度工業(yè)級(jí)器件制備。與單晶相比，多晶TMD的較大規(guī)模生長(zhǎng)就容易很多，具備工業(yè)化應(yīng)用集成的潛力。

　　有鑒于此，三星電子有限公司Jeehwan Kim和Kyung-Eun Byun 團(tuán)隊(duì)提出一種使用金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）制造大規(guī)模多晶硫化鉬（MoS₂）場(chǎng)效應(yīng)晶體管陣列的工藝，與工業(yè)兼容，在商用200毫米制造設(shè)備中進(jìn)行加工，成品率超過99.9%。文章以“200-mm-wafer-scale integration of polycrystalline molybdenum disulfide transistors"為題發(fā)表在Nature electronics上。

圖4. 三種不同接觸類型（a常規(guī)頂部接觸，b多晶MoS₂的底部接觸，c單層MoS2底部接觸）的電學(xué)特性和肖特基勢(shì)壘高度

　　基于Lake Shore低溫探針臺(tái)CPX-VF的電學(xué)測(cè)試表明，相比于頂部接觸，底部接觸可以更好的消除2D FETs陣列中多晶2D/金屬界面的肖特基勢(shì)壘。沒有肖特基勢(shì)壘的多晶MoS₂場(chǎng)效應(yīng)晶體管表現(xiàn)良好，遷移率可達(dá)21 cm2V^-1·s^-1，接觸電阻可達(dá)3.8 kΩ·µm，導(dǎo)通電流密度可達(dá)120µA·µm^-1，可比擬單晶晶體管。

4. Lake Shore低溫探針臺(tái)系列

　　美國(guó)Lake Shore公司的低溫探針臺(tái)根據(jù)制冷方式不同，主要分為無液氦低溫探針臺(tái)和消耗制冷劑低溫探針臺(tái)，其下又因?yàn)榇艌?chǎng)方向、尺寸大小差別，有更多型號(hào)的細(xì)分，適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景（電學(xué)、磁學(xué)、微波、THz、光學(xué)等），客戶可根據(jù)需要，選擇不同的溫度和磁場(chǎng)配置?？蛻艨梢赃x擇自己搭配測(cè)試儀表集成各類測(cè)試，也可以選擇我們的整體測(cè)試解決方案，如電輸運(yùn)測(cè)試、半導(dǎo)體分析測(cè)試、霍爾效應(yīng)測(cè)試、鐵電分析測(cè)試，集成光學(xué)測(cè)試等。

圖5. 低溫探針臺(tái)選型和適用的應(yīng)用場(chǎng)景

　　Lake Shore低溫探針臺(tái)主要特征

　　? 最大±2.5 T磁場(chǎng)

　　? 低溫至1.6 K，高溫至675 K

　　? 低漏電測(cè)量

　　? 最高67 GHz高頻探針

　　? 3 kV 高電壓探針（定制）

　　? 大溫區(qū)低溫漂探針

　　? 真空腔聯(lián)用傳送樣品（定制）

　　? ＜30 nm低振動(dòng)適用于顯微光學(xué)測(cè)量

　　? 無需翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)快速霍爾效應(yīng)測(cè)試

　　? 多通道高精度低噪聲綜合電學(xué)測(cè)量

　　? 光電、CV、鐵電、半導(dǎo)體分析測(cè)試

參考文獻(xiàn)：

　　1. J. Jiang, L. Xu, C. Qiu, L.-M. Peng, Ballistic two-dimensional InSe transistors. Nature 616, 470-475 (2023).

　　2. S. Li, X. Liu, H. Yang, H. Zhu, X. Fang, Two-dimensional perovskite oxide as a photoactive high-κ gate dielectric. Nature Electronics 7, 216-224 (2024).

　　3. J. Kwon et al., 200-mm-wafer-scale integration of polycrystalline molybdenum disulfide transistors. Nature Electronics 7, 356-364 (2024).

相關(guān)產(chǎn)品

1、Lake Shore低溫探針臺(tái)系列

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