湖南大学段曦东团队Science——高性能p型二维半导体晶体管的栅极驱动能带调制超掺杂

2025-06-18 09:44:03

2025年6月12日，Science在线发表了湖南大学段曦东教授课题组的研究论文，题目为「Gate-driven band modulation hyperdoping for high-performance p-type 2D semiconductor transistors」，论文的第一作者为Bei Zhao、Zucheng Zhang和Junqing Xu。

原子二维半导体（2DSCs）因其对短沟道效应的优异免疫力而引起了人们的极大兴趣。调整半导体中的载流子密度对于控制其基本电子特性和相应的器件性能至关重要。例如，取代晶格掺杂（例如通过离子注入）通常用于控制载流子密度和最小化传统半导体中的接触电阻（R_C）。

然而，对于2DSCs中原子薄的共价晶格，在不严重损害晶格结构和电子性能的情况下，根本没有足够的物理空间来容纳足够的晶格掺杂剂。此外，现有最先进的离子注入掺杂方法通常不适合2DSCs，因为高能离子注入工艺可能会严重损坏原子薄晶格并降低其电子性能。

在此研究中，作者报道了一种用于掺杂2DSCs的栅极可调能带调制方法，首先在单层SnS₂（1L-SnS₂）和双层WSe₂（2L-WSe₂）之间形成范德华异质结（vdWHs），该异质结具有III型能带排列。从WSe₂价带（VB）到SnS₂导带（CB）的电子转移在双层WSe₂中引起了空穴掺杂效应。通过具有氮化硅（SiN_x）作为栅极电介质的硅（Si）背栅施加的外部栅极偏压调制层间电荷转移掺杂，从而产生超过典型电介质击穿所施加的最大静电掺杂限制的超掺杂效应。

系统的栅控霍尔测量表明，调制载流子密度约为栅极电容电荷的五倍，达到1.49×10¹⁴ cm⁻²的超高二维空穴密度。高空穴密度使p沟道二维晶体管的最低R_C为~0.041 kΩ μm，最高导通电流密度（I_on）为~2.30 mA/μm。

该策略是通用的，可以扩展到其他vdWHs，如具有部分重叠的III型能带排列或略微交错的II型能带排列的1L-In₂Se₃/2L-WSe₂和1L-SnSe₂/2L-WSe₂ vdWHs。无论精确排列与否，施加负栅极都会降低层间带隙并产生超掺杂效应。因此，这项研究定义了一种通用的能带调制掺杂方法，可以将2DSCs中的载流子密度调节到介电极限之外。

图1 | 1L-SnS2/2L-WSe2 vdWHs中的调制掺杂

图2 | 栅极可调能带调制使1L-SnS₂/2L-WSe₂ vdWHs具有超高的二维载流子密度

图3 | 1L-SnS₂/2L-WSe₂ vdWH FETs中的超低R_C

图4 | 1L-SnS₂/2L-WSe₂ vdWH FETs中的超高I_sat和超低R_on

论文链接：

Zhao, B., Zhang, Z., Xu, J. et al. Gate-driven band modulation hyperdoping for high-performance p-type 2D semiconductor transistors. Science, 2025, 388, 1183-1188.

https://doi.org/10.1126/science.adp8444

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