高性能双栅高k介质MoS2场效应晶体管的介质屏蔽效应及界面工程

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61774064
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    67.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0406.集成电路器件、制造与封装
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

The project aims at high-performance few-layer MoS2 (FL-MoS2) field-effect transistor (FET) with dual-gate high-k dielectrics. A new stacked gate structure of (HfTiO/Al2O3)/FL-MoS2/HfSiO/Si is proposed and prepared, where fabrication technologies of the high-k top/bottom gate dielectrics by ALD, the high-k/MoS2 interface properties and high-k dielectric screening effect are key research contents. Through using high-k stacked HfTiO/Al2O3 and HfSiO as top- and bottom-gate dielectric respectively to form encapsulation on MoS2 channel, not only can the good Al2O3/MoS2/HfSiO interfaces be obtained, but also the screening effect of high-k dielectric on charged-impurity scattering can largely be enhanced, effectively reducing Coulomb scattering and largely boosting mobility of carriers, and simultaneously decreasing equivalent oxide thickness of the top- and bottom-gate dielectrics and enhancing their gate-controlling ability, thus comprehensively improving performances of the transistor, e.g. the on-current, current on/off ratio, transconductance, subthreshold slope and short-channel effects and so on. Also, the optimal technologies and conditions of fabricating the above high-k gate dielectrics by ALD will be investigated, and the prototype sample of the relevant dual-gate high-k dielectric FL-MoS2 FETs is prepared. It is expected that the encapsulation of the high-k top/bottom gate dielectric can scale down channel length of the MoS2 transistor to below 10 nm, still maintaining excellent electrical properties.
以高性能双栅高k介质几层MoS2(FL-MoS2)场效应晶体管为研究目标,设计制备新型(HfTiO/Al2O3)/FL-MoS2/HfSiO/Si栅堆栈结构,重点研究ALD高k顶/底栅介质及其与MoS2的界面特性以及屏蔽效应。通过采用HfTiO/Al2O3堆栈和HfSiO高k介质分别作为顶/底栅介质,对MoS2沟道形成良好包封,不仅能获得好的Al2O3/MoS2/HfSiO界面特性,而且能大大增强高k介质对荷电杂质散射的屏蔽效应,有效减小库伦散射,提高迁移率,同时减小顶/底栅介质等效氧化物厚度,增强栅控能力,使晶体管的通态电流、通/断电流比、跨导、亚阈斜率以及短沟道效应等得到全面改进。将研究ALD制备上述高k栅介质的最佳工艺和条件,研制出相应的双栅高k介质FL-MoS2场效应晶体管原型样品。由于高k顶/底栅介质的包封使用,有望使MoS2晶体管沟长缩短至亚10nm而仍具有优良的电性能。

结项摘要

MoS2以其合适的禁带宽度、原子级厚度、可免除短沟效应等有望成为下一代CMOS器件的沟道材料。因此,本项目开展相关研究具有重要科学意义和应用前景。.本项目围绕栅介质与MoS2的界面工程以及栅介质材料、结构和制备工艺等开展了深入研究,取得许多重要成果:①构造了云母作为栅介质的顶栅MoS2晶体管,获得了极佳电性能:开关比达到108,迁移率提高到134cm2/Vs,亚阈值摆幅SS减小到72mV/dec,通态电流Ion接近60A/m;②以云母作为绝缘台面暨栅介质,通过干法转移MoS2薄片至其上,制备出8.7nm的垂直短沟道MoS2晶体管,获得低的SS(73mV/dec)和高的Ion (>100A/m);③采用ALD交替淀积HfO2和Al2O3制备了Hf1-xAlxO栅介质,利用Al掺杂改善界面特性,在Al含量为50%时获得最佳器件性能: 为49cm2/Vs,SS为129mV/dec,开/关比为3.8107;④采用高/低温两步淀积法制备高k顶栅介质,获得栅介质的高质量生长及优良电性能,达到83.3cm2/Vs, SS为83mV/dec,界面态密度Dit低至11012eV-1cm-2;⑤比较分析了不同等离子体处理栅介质对晶体管性能的影响,发现NH3等离子体处理效果最佳,以处理的HfO2为栅介质制备了顶栅MoS2 FET,获得1.6107的开关比,87cm2/Vs的,72 mV/dec的SS;⑥以Al2O3/HfO2堆栈介质包覆MoS2沟道分别制备了顶栅和背栅MoS2晶体管,比较发现顶栅晶体管性能更优:开关比达108,达到102cm2/Vs,SS为93mV/dec;⑦ 采用CVD法在Al2O3表面淀积MoS2薄膜,对比研究了酸处理和未处理Al2O3对MoS2薄膜生长的影响。结果显示,前者生长的MoS2薄膜尺寸增大,性能增强,所制备的晶体管呈现出比未处理样品更好的电特性。

项目成果

期刊论文数量(20)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(3)
专利数量(0)
Effects of HfO2 encapsulation on electrical performances of few-layered MoS2 transistor with ALD HfO2 as back-gate dielectric
HfO2 封装对 ALD HfO2 作为背栅介质的少层 MoS2 晶体管电性能的影响
  • DOI:
    10.1088/1361-6528/aac853
  • 发表时间:
    2018-06
  • 期刊:
    Nanotechnology
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Jingping Xu;Ming Wen;Xinyuan Zhao;Lu Liu;Xingjuan Song;Pui-To Lai;Wing-Man Tang
  • 通讯作者:
    Wing-Man Tang
Improved performance of back-gate MoS2 transistors by NH3-plasma treating high-k gate dielectrics
通过 NH3 等离子体处理高 k 栅极电介质提高背栅 MoS2 晶体管的性能
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    2019
  • 期刊:
    Chinese Physics B
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    Jian-Ying Chen;Xin-Yuan Zhao;Lu Liu;Jing-Ping Xu
  • 通讯作者:
    Jing-Ping Xu
Repair of Oxygen Vacancies and Improvement of HfO2/MoS2 Interface by NH3-Plasma Treatment
NH3-等离子体处理修复氧空位并改善 HfO2/MoS2 界面
  • DOI:
    10.1109/ted.2019.2934186
  • 发表时间:
    2019-10
  • 期刊:
    IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Xinyuan Zhao;Jingping Xu;Lu Liu;Pui-To Lai;Wing-Man Tang
  • 通讯作者:
    Wing-Man Tang
Enhanced mobility of MoS_2 field-effect transistors by combining defect passivation with dielectric-screening effect
缺陷钝化与介质屏蔽效应相结合增强MoS_2场效应晶体管的迁移率
  • DOI:
    10.1088/1674-1056/abb30f
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Chinese Physics. B
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Li Zhao;Xu Jingping;Liu Lu;Zhao Xinyuan
  • 通讯作者:
    Zhao Xinyuan
Improved electrical performance of multilayer MoS2 transistor by incorporating Al into host HfO2 as gate dielectric
通过将 Al 掺入主体 HfO2 作为栅极电介质,改善了多层 MoS2 晶体管的电性能
  • DOI:
    10.7567/1882-0786/ab1fa7
  • 发表时间:
    2019-05
  • 期刊:
    Applied Physics Express
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Xinyuan Zhao;Jingping Xu;Lu Liu;Pui-To Lai;Wing-Man Tang
  • 通讯作者:
    Wing-Man Tang

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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