超低亚阈值摆幅可重构晶体管

       二维半导体材料由于具有超薄的厚度同时表现出优异的物理性能，被寄望突破传统半导体发展瓶颈，成为新一代集成电路的重要组成部分。目前基于二维材料的场效应晶体管(FET)分立器件被广泛研发，但在大部分二维FET中，接触区域二维材料与沟道区域二维材料同时受栅极静电调控，使得器件表现出栅压依赖接触特性，阻碍了欧姆接触的实现，大大影响了电荷注入效率与开关转换特性，从而大多数器件所表现的输运性能仍不够理想。

      有鉴于此，近日，湖南大学潘安练教授、李东教授研究团队报道了具有超低亚阈值摆幅和高载流子迁移率的新型双栅可重构FET器件。相关成果发表在Science Bulletin 2020年23期。

        在普通FET器件结构基础上，引入一个额外的接触栅极，对二维半导体接触区进行独立控制：通过对接触区静电掺杂浓度的调控，有效降低了器件的接触电阻，实现了器件在整个工作状态的欧姆接触，获得了近乎理想的输运性能；同时，还通过对接触区域载流子掺杂类型的有效控制实现了器件的可重构功能，利用对接触栅压的调控实现器件在n型FET和p型FET之间的灵活切换，并基于这一特性进一步构建了高增益互补反相器电路。本研究有望为新一代集成电路设计提供重要的原型器件，推动集成电路产业迅速发展。

(a) 在普通FET基础上，作者在沟道材料与SiO₂/Si衬底之间插入少层的石墨烯和h-BN，用石墨烯和Si分别作为背栅(BG)和接触栅极(CG)来调节沟道区域和接触区域的载流子掺杂浓度和类型，实现接触区域和沟道区域的独立控制。

(b) 器件的光学图片。

(c) 器件的拉曼表征。

(a, b) 以Si和SiO₂分别为背栅和电介质层的普通FET的转移特性和输出特性(图1b中E3和E4间)，表现出典型双极性传输行为：在空穴传输一侧，迁移率为0.48 cm²/(V s), 亚阈值摆幅(SS)为7.37 V/decade；在电子传输一侧，迁移率和SS分别为1.32 cm²/(V s)和8.82 V/decade。

(c, d) 以石墨烯和h-BN作为背栅和电介质层的普通FET的输运特性，较薄的栅极电介质层使其获得了较低SS(空穴传输一侧为615 mV/decade，电子传输一侧为551 mV/ decade)，但仍远大于SS的物理极限(室温下60 mV/decade)。

(e, f) 能带图展示了金属Cr与半导体MoTe2之间肖特基势垒和载流子注入方式，随着载流子掺杂浓度降低，大肖特基势垒引起的载流子热发射注入使器件产生大的接触电阻，且当接触电阻大于沟道电阻时，接触区域将会主导并影响器件的传输特性，特别是SS。因此，降低肖特基势垒是优化FET性能的必要条件。

(a, b) 可重构FET在不同接触栅压下的转移特性。在大的负接触栅压(-50 V)下，电子导电一侧完全被抑制，器件表现为p型单极性输运行为，迁移率相比于图2中的普通MoTe₂ FET被提升了13倍(6.51 cm²/(V s))；SS也降低到143 mV/decade，远低于普通的MoTe₂ FET。同样，当接触栅上施加一个大的正电压(50 V)时，器件表现为n型单极性输运行为，电子迁移率为28.6 cm²/(V s), SS为132 mV/decade。同样的器件结构也可以适用于其他2D材料，如WSe₂可重构FET表现出的空穴迁移率为89.8 cm²/(V s)，电子迁移率为29.1 cm²/(V s)，p型一侧SS 为67 mV/decade，n型一侧SS为81 mV/decade。

(c) 可重构FET在p型和n型工作状态下的能带图，高的接触区掺杂浓度有效保证了器件输运过程中的电荷注入和低的接触电阻。

(d) 不同接触栅压下的电流开关比和接触电阻。

(e) 可重构FET在不同源漏电压下的转移特性。

(b，d) 展示了构成反向器电路的两个可重构MoTe2 FET器件，(d) 其对应的输运特性。

(e，f) 展示了反相器电路的输出特性：作为放大器件时，其增益可达23；同时其也表现出理想的噪声容限(NML≈0.45 VDD, NMH≈0.35 VDD)、低的运行功耗及高的稳定性。