【創造開源節流先進元件】雌雄同體的二維材料電晶體

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【本報導由物理系 藍彥文副教授研究團隊提供】

  生產成本一直是製造半導體元件和電路的重要考慮因素。如何降低成本成為產品量產很重要的課題。本篇研究採用二硫化鉬(MoS2)材料的場效電晶體,該電晶體可在同一元件中選擇性操作p 型或n 型特性。且該元件具有可調整的臨界電壓(Vth),透過添加一層等離子化的介電層在上閘極結構上來改變該臨界電壓。由於成長相對較薄的介電層促進了氧的過量,這使得在該介電層中產生負電荷,而不是在底部介電層中常見的正電荷。因此,造成臨界電壓位移並且上閘極結構特性從典型的n型切換到p型,而在施加下閘極電壓時仍保持n型行為。通過施加上閘極脈衝,甚至可以進一步微調元件臨界電壓的特性。因此,這裡也呈現了具有可調整元件特性的互補邏輯反相器。與現有研究相比,我們的元件可以節省幾乎一半的元件數量,明顯會降低成本價格。這個概念對於未來製造先進元件是非常有用且有價值的。

 

  一般互補式金屬氧化物半導體(CMOS)反向器應用於數位電路上,也經常應用於類比電路上,像是放大器與比較器等,比較器上常見的應用是類比數位轉換器(ADC),ADC有兩個最需要考慮的因子,一個是功耗問題,另一個是速度。而快閃式類比數位轉換器是最快的ADC,其因為必須使用很多的比較器去完成位元的轉換,所以會有很大的功耗問題,目前常見的做法是使用反相器臨界電壓量化(TIQ)比較器,我們可以發現採用TIQ比較器設計的 ADC可以藉由削去電阻陣列而達到減少功耗的效果,但此元件的臨界電壓(Vth)仍被限制於反向器閘極的長與寬。因此如果反向器的臨界電壓可以調控了話,那就不需要去設計各個不同的閘極長寬比的比較器,ADC的製程將簡單化,成本也會大大的減低。另外,CMOS反向器通常需要p型的金氧半場效電晶體(PMOS)和n型的金氧半場效電晶體(NMOS)構成,而因為PMOS與NMOS製程差異,所以幾乎需要製作兩個元件的時間及成本,如果我們可以在同一個元件同時具有p型及n型特徵,這個問題將會迎刃而解。

  過去的研究文獻顯示當通過熱氧化製程方式在溝道上成長二氧化矽(SiO2)時,氧化物層中會呈現正電荷狀態,這可能導致二硫化鉬(MoS2)通道具有n型特徵。同時,當通過等離子氧化製程方式生長SiO2時,該方法具有較低的沉積速率,從而導致較薄的生長層,並在介電材料中感應出過量的氧氣。此時,氧化物層則會呈現負電荷狀態,而這可能導致MoS2通道呈現p型特徵。我們的研究將上述兩種方式成長的氧化物分別選擇為其上閘極結構和下閘極結構上的介電層,使得MoS2電晶體元件可以相應地表現出NMOS或PMOS行為。

  在我們的研究中,我們採用MoS2材料製作了一種極性可控且Vth可調整的場效電晶體(如圖一)。我們提出的元件展示了介電層的氧化物電荷對元件電性的重要性。結果顯示我們提出的元件可以交替顯示n型或p型行為。我們發現這元件特性很適合應用於CMOS反相器,並且如果通過上閘極施加脈衝電壓,甚至達到可以調整元件Vth和增益增強的特性。若透過有效的元件隔離機制,所提出的元件則可以同時作為PMOS和NMOS進行操作。若搭配此元件特有的可調節Vth特徵應用,則可以有機會顯著降低電路中比較器的數量,從而實質上降低了各種電路應用的成本。與現有研究相比,本篇研究所使用的元件可望節省一半元件製作的時間和降低成本價格。這個概念對於未來先進元件的製造非常有用且有價值。我們相信,這些發現不僅會降低生產成本,而且還將徹底改變未來的互補金屬氧化物半導體技術。

圖一:採用MoS2通道呈現極性可控且Vth可調整的場效電晶體
      圖一:採用MoS2通道呈現極性可控且Vth可調整的場效電晶體

 

 

期間2021 一月 8

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  • 二維材料
  • 電晶體
  • 極性轉換