隨著晶體管按比例縮小，它們需要更薄的溝道來實現(xiàn)足夠的溝道控制。然而，在硅中，表面粗糙度散射會降低遷移率，從而將最終溝道厚度限制在 3 納米左右。

　　二維過渡金屬二硫族化物 （TMD：Two-dimensional transition metal dichalcogenides），例如 MoS2和 WSe2，在一定程度上具有吸引力，因為它們避免了這種限制。由于沒有平面外懸空鍵和原子光滑的界面（With no out-of-plane dangling bonds and atomically smooth interfaces），TMD 即使在亞埃厚度下也能避免散射引起的遷移率下降。

　　盡管如此，TMD 仍代表著硅甚至硅鍺現(xiàn)狀的根本改變。材料生長、觸點形成和器件制造都不同于相應的硅工藝。目前，基礎材料研究和器件開發(fā)并行進行。在實驗室設備中獲得良好結果的材料和工藝可能不適合批量生產(chǎn)。

　　例如，迄今為止大多數(shù) TMD 設備演示都依賴于層轉移（layer transfer ）技術。這種方法從一個獨立的薄膜開始，它可以生長在藍寶石等兼容基板上，也可以從大塊材料上剝離下來。可以使用幾種方法中的任何一種將膜轉移到可能已經(jīng)包括底柵結構的準備好的目標襯底。

　　層轉移帶來了明顯的成本和產(chǎn)量挑戰(zhàn)。在 12 月的 IEEE 國際電子器件會議 （IEDM） 上展示的工作中，英特爾的 CJ Dorow 及其同事表明，單柵極 MoS2器件的性能因轉移過程而下降。他們在源極和漏極區(qū)域觀察到 TMD 分層。去掉的低 k 電介質(zhì)層也在 TMD/氧化物界面留下殘留物。半導體晶圓廠更喜歡更“類硅”工藝的靈活性和成本效益，TMD 直接沉積在目標基板上。

　　一般而言，TMD 生長需要在薄膜質(zhì)量和最小化溝道厚度的需求之間進行權衡。原子級沉積 （ALD） 電介質(zhì)和通過化學氣相沉積 （CVD） 生長的 TMD 都容易出現(xiàn)針孔和其他缺陷。盡管如此，在 12 月的 IEEE IEDM 上發(fā)表的幾篇論文表明，該行業(yè)正在朝著直接沉積 TMD 的方向取得進展。例如，北京大學的 Xinhang Shi 及其同事使用低壓 CVD直接在 SiO2上生長 WSe2雙層。非常高的溫度過程 （890°C） 使器件具有425 μA/μm 的創(chuàng)紀錄高 Ids。薄膜特性與氧化物厚度無關。或者，臺積電的 Yun-Yan Chung 及其同事使用鎢墊作為 WS2生長的種子層，構建具有兩個和三個堆疊溝道的設備

　　圖 1：完全被柵極堆疊包圍的單層 MoS2 納米片的 TEM 橫截面。較小的圖像顯示 EDX 元素映射。

　　用于摻雜和閾值電壓控制的電介質(zhì)

　　完整的 CMOS 工藝不僅僅是簡單地沉積溝道材料。該過程還必須促進空穴和電子傳導。在 TMD 中，摻雜、電介質(zhì)沉積和 Vth Tuning彼此密不可分。由于目前不可能對半導體本身進行摻雜，因此器件依靠覆蓋層來調(diào)節(jié)傳導并提供 nFET 或 pFET 行為。即使確定了合適的材料，TMD 表面的二維特征也會使覆蓋層沉積復雜化。除了晶界和其他缺陷外，沉積氧化物的潛在成核位置非常少。

　　WSe2是一種雙極性材料，這意味著費米能級在施加電場的情況下在價帶和導帶之間移動。因此，相同的材料可以傳導電子或空穴

　　臺積電的幾個不同小組一直在從不同角度研究WSe2傳導和摻雜。一組使用氧等離子體將WSe2半導體單層轉化為Ox。該過程是自限性的，不影響底層的WSe2材料，最終的摻雜水平取決于起始材料中的層間耦合。較厚的起始材料具有較高的價帶邊緣，從而在轉化為氧化物后導致更高的摻雜。在 Ang-Sheng Chou 介紹的工作中，另一個 TSMC 小組將 MoO x蓋層用于 pFET 器件和 SiON x對于 nFET 器件。連同下面討論的新穎接觸技術，這些覆蓋層提供了一些迄今為止最好的 TMD 晶體管結果。

　　在普渡大學，研究人員使用六方氮化硼 （hBN：hexagonal boron nitride） 作為界面層以促進電介質(zhì)沉積。他們的工作強調(diào)了“缺陷”（defects）和“陷阱”（traps）之間的區(qū)別。正如他們所解釋的那樣，缺陷既可能發(fā)生在電介質(zhì)體內(nèi)部，也可能發(fā)生在電介質(zhì)——半導體界面處。然而，只有當費米能級穿過缺陷能帶時，缺陷才會變成陷阱。在 hBN 中封裝單層 MoS2降低了亞閾值擺動并增加了V th，這意味著界面陷阱被消除或停用。hBN 層似乎可以阻擋 TMD 薄膜上的吸收物，這是電荷陷阱的潛在來源。

　　不幸的是，hBN 本身并不是一種合適的電介質(zhì)。它也是一種類石墨材料，具有弱的面外鍵合，使得直接在 hBN 上生長電介質(zhì)具有挑戰(zhàn)性。Purdue 小組使用鉭種子層進行電介質(zhì)沉積。相對于更常見的鋁種子，他們發(fā)現(xiàn)亞閾值擺幅退化較少，V th偏移也減少。

　　圖 2：通過系統(tǒng)地分析關鍵工藝參數(shù)，TSMC 的研究人員將鉿基電介質(zhì)與CVD生長的 MoS2集成在一起，構建了EOT ~1nm和近乎理想的亞閾值擺動的頂柵 nFET。這項工作特別值得注意，因為在 TMD 上沉積無針孔電介質(zhì)是出了名的困難。

　　堆疊溝道和接觸

　　由于需要堆疊溝道，實際設備可能會看到更復雜的工藝。單個 TMD 單層不能承載與硅納米片一樣多的電流，因此設備將需要多個堆疊的 TMD 片。與堆疊的硅納米片一樣，最小化片之間的間距可以減少寄生電容。

　　圖3：二維MoS2堆疊納米帶結構。

　　由于 TMD 層非常薄，Yun-Yan Chung 的團隊指出機械穩(wěn)定性也是一個問題。他們使用犧牲電介質(zhì)來提高剛度并防止制造過程中下垂。內(nèi)部墊片和金屬觸點有助于將溝道固定在成品設備中。

　　自從這些器件被提出以來，TMD 晶體管構造的最后一步，即與電路的其余部分接觸，就受到了廣泛的研究關注。盡管如此，接觸電阻和間隔電阻仍占二維晶體管總器件電阻的 80%，比硅接觸電阻和間隔電阻的貢獻要大得多。最近使用鉍和銻等半金屬的研究為 nFET 提供了良好的結果，但 pFET 觸點仍然是一個未解決的問題。

　　正如 Ang-Sheng Chou 的團隊所解釋的那樣，大多數(shù)提議的接觸都有一個不幸的空穴傳導能帶排列。他們的工作利用了 WSe2的雙極性特性，將單一的銻/鉑堆棧用于 nFET 和 pFET 器件。銻（Sb，功函數(shù) 4.4 eV）提供緩沖層，最大限度地減少對底層半導體的損壞。鉑（Pt，功函數(shù) 5.6 eV）調(diào)節(jié)功函數(shù)。兩種材料的比例可調(diào)，以實現(xiàn) nFET 和 pFET 所需的功函數(shù)。最后，他們報告了電子和空穴的低勢壘高度、低接觸電阻和約 150 μA/μm 的導通電流。

　　二維半導體的下一步是什么？

　　與結果本身相比，來自英特爾和臺積電等公司的大量報告表明，基于 TMD 的晶體管是接替硅的重要候選者。雖然在過去幾年中，該行業(yè)已經(jīng)開始闡明此類設備的潛在設計——MoS 2或 WSe 2溝道，具有半金屬接觸——穩(wěn)健的、可制造的制造工藝尚未出現(xiàn)。

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