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第一作者：廖武剛、王林

通訊作者：Chun-Xiang Zhu、Kah-Wee Ang

通訊單位：新加坡國立大學

研究亮點：

1. 原子層沉積MgO實現黑磷高效穩定n型摻雜。

2. 在單片BP上實現高性能CMOS反相器。

隨著傳統硅基場效應晶體管（FET）的特征尺寸快速逼近其理論極限，摩爾定律難以為繼，于是科學家們在不斷地探索新的器件結構及新的晶體管溝道材料。二維層狀材料黑磷（BP: Black Phosphorus）由于其帶隙可調（0.3~2.0 eV），各向異性以及良好的空穴遷移率(室溫下可達1000 cm²/Vs)等優異性能，使其在未來納米晶體管中具有廣闊應用前景。

然而，BP FETs通常表現為空穴主導特性（p型），導致基于單片BP的CMOS器件難以實現。

有鑒于此，新加坡國立大學的Chun-Xiang Zhu教授和Kah-Wee Ang教授等人提出一種表面電荷轉移摻雜的方式實現了對BP的高效穩定n型摻雜。

圖1 BP FET的AFM圖、轉移曲線、電流最小時電壓值（V_min）和電子遷移率

研究人員在層狀BP表面通過原子層沉積（ALD）氧化鎂（MgO）薄層，發現BP FET的電子傳導特性顯著提高，同時空穴傳導則被明顯抑制，從而實現黑磷高性能單極n型晶體管制備；并在此基礎上制備了高性能BP CMOS反相器（inverter），其表現出邏輯電平匹配（logic-level matching），低工作電壓（< 0.5 V），高電壓增益和低功耗等優異性能。

原子層沉積MgO的厚度對于BP的n-doping會產生重要影響。通過研究不同厚度MgO下BP FET的轉移特性曲線（圖1），作者得出不同厚度下電子遷移率的變化表征，揭示了MgO厚度對于BP FET的載流子類型及濃度具有重要的調控作用，發現當原子層沉積MgO厚度為20 nm時，電子遷移率接近100 cm²/Vs。同時，作者發現采用原子層沉積MgO實現的n型 BP FET體現出優異的穩定性能（放置四個月性能并未衰減）。

作者進一步對在單片BP薄層上制備了p-n二極管（diode）和互補型反相器（inverter）。基于n型和p型BP FET的小且對稱的閾值電壓特性（圖2），所制備的CMOS BP反相器表現出非常優異的性能，包括低的工作電壓（V_DD低至0.3 V），高電壓增益（5.7 @ V_DD= 1.5 V），邏輯電平匹配以及低功耗（~15 nW @ V_DD= 0.5 V）等。

圖 2 p-n二極管（diode）和互補型反相器

他們還研究了CMOS BP 反相器的動態響應特性（圖3），其發現BP 反相器在低頻下展現出優異的頻率響應特性，而在高頻下由于寄生電容和寄生電阻的存在，導致較明顯延遲響應。作者通過提取相應電容和電阻值進一步計算得出器件的本征延遲時間為 ~65 ns，最高工作頻率可達到2.4 MHz。

圖 3 V_DD= 1.5 V下CMOS BP 反相器的輸入輸出特性

總之，本文提出了一種表面電荷轉移摻雜的方式，實現了對BP的高效穩定n型摻雜，進一步實現了高性能CMOS反相器。。

參考文獻：

Liao W, Lin W, Chen L, et al. Efficient and reliable surface charge transfer doping of black phosphorus via atomic layer deposited MgO toward high performance complementary circuits[J]. Nanoscale, 2018.

DOI：10.1039/C8NR04420A

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/nr/c8nr04420a