狂發Nature等頂刊！Lake Shore低溫探針臺，助力超越硅極限的二維晶體管革新

　　當今科技迅猛發展，電子器件的小型化和性能提升是科研人員的追逐。其中，晶體管是當代電子設備中的核心組件，其尺寸微縮和性能提升直接關系到整個電子行業的進步。與此同時，硅基場效應晶體管（FET）的性能逐漸逼近本征物理極限，國際半導體器件與系統路線圖（IRDS）預測硅基晶體管的柵長最小可縮短至12 nm，工作電壓不低于0.6 V，這決定了未來硅基芯片縮放過程結束時的極限集成密度和功耗。因此，迫切需要發展新型溝道材料來延續摩爾定律。

　　二維（2D）半導體具備可拓展性、可轉移性、原子級層厚和相對較高的載流子遷移率，被視為超越硅基器件的下一代電子器件的理想選擇。近年來，先進的半導體制造公司和研究機構，都在對二維材料進行研究。Lake Shore的低溫探針臺系列產品可容納最大1英寸（25.4mm）甚至8英寸的樣品，可以為二維半導體材料研究提供精準的溫度磁場控制及精確可重復的測量，是全球科研工作者的值得信賴的工具。本文我們將結合近期Nature、Nature electronics期刊中的前沿成果，一起領略Lake Shore低溫探針臺系列產品在二維晶體管革新中的應用吧！

圖1. Lake Shore低溫探針臺

1. 探針臺電學測量揭秘最快二維晶體管——彈道InSe晶體管

　　對于二維半導體晶體管的速度和功耗方面的探索，北京大學電子學院彭練矛院士，邱晨光研究員課題組報道了一種以2D硒化銦InSe為溝道材料的高熱速度場效應晶體管，使得二維晶體管實際性能超過Intel商用10納米節點的硅基FinFET（鰭式場效應晶體管），并將工作電壓下降到0.5V，稱為迄今速度最快、能耗低的二維半導體晶體管。相關研究成功以“Ballistic two-dimensional InSe transistors"為題發表于《Nature》上。

　　基于Lake Shore 低溫探針臺完成的電學測試表明，在0.5 V工作電壓下，InSe FET具有6 mS·μm^-1的高跨導和飽和區83%的室溫彈道比，超過了任何已報道的硅基晶體管。實現低亞閾值擺幅(SS)為每75 mV·dec^-1，漏極誘導的勢壘降低(DIBL)為22  mV·V^-1。此外，10nm彈道InSe FET中可靠地提取了62 Ω·μm的低接觸電阻，可實現更小的固有延遲和更低的能量延遲積(EDP)，遠低于預測的硅極限。

　　這項工作證實了2D FET可以提供接近理論預測的實際性能，在實驗上證明了二維器件性能和功效上由于先進硅基技術，為2D FET發展注入信心和活力。

2. 探針臺光電測量揭示光活性高介電常數柵極電介質——2D鈣鈦礦氧化物SNO

　　與2D半導體兼容的高介電常數的柵極電介質，對縮小光電器件尺寸至關重要。然而傳統三維電介質由于懸掛鍵的存在很難與2D材料兼容。為解決以上問題，復旦大學方曉生教授等人進行了大量研究實驗，發現通過自上而下方式制備的2D鈣鈦礦氧化物Sr₁₀Nb₃O₁₀（SNO）具有高介電常數（24.6）、適中帶隙、分層結構等特點，可通過溫和轉移的方法，與各種2D溝道材料（包括石墨烯、MoS₂，WS₂和WSe₂）等構建高效能的光電晶體管。文章以“Two-dimensional perovskite oxide as a photoactive high-κ gate dielectric"為題發表在Nature electronics上。

圖3. 具有SNO頂柵介電層的雙柵WS2光電晶體管的電特性和光響應

　　基于Lake Shore探針臺的光電測試表明，SNO作為頂柵介電材料，與多種通道材料兼容， 集成光電晶體管具有的光電性能。MoS₂晶體管的開/關比為106，電源電壓為2V，亞閾值擺幅為88?mV·dec^-1。在可見光或紫外光照射下，WS₂光電晶體管的光電流與暗電流比為~106，紫外(UV)響應度為5.5?×?103?A·W^-1，這是由于柵極控制和光活性柵極電介質電荷轉移的共同作用。本研究展示了2D鈣鈦礦氧化物Sr₂Nb₃O₁₀（SNO）作為光活性高介電常數介質在光電晶體管中的廣泛應用潛力。

3. 探針臺電學測量探索200毫米晶圓級集成——多晶MoS₂晶體管

　　二維半導體，例如過渡金屬硫族化合物（TMDs），是一類很有潛力的溝道材料，然而單器件演示采用的單晶二維薄膜，均勻大規模生長仍具挑戰，無法應用于大尺度工業級器件制備。與單晶相比，多晶TMD的較大規模生長就容易很多，具備工業化應用集成的潛力。

　　有鑒于此，三星電子有限公司Jeehwan Kim和Kyung-Eun Byun 團隊提出一種使用金屬-有機化學氣相沉積（MOCVD）制造大規模多晶硫化鉬（MoS₂）場效應晶體管陣列的工藝，與工業兼容，在商用200毫米制造設備中進行加工，成品率超過99.9%。文章以“200-mm-wafer-scale integration of polycrystalline molybdenum disulfide transistors"為題發表在Nature electronics上。

圖4. 三種不同接觸類型（a常規頂部接觸，b多晶MoS₂的底部接觸，c單層MoS2底部接觸）的電學特性和肖特基勢壘高度

　　基于Lake Shore低溫探針臺CPX-VF的電學測試表明，相比于頂部接觸，底部接觸可以更好的消除2D FETs陣列中多晶2D/金屬界面的肖特基勢壘。沒有肖特基勢壘的多晶MoS₂場效應晶體管表現良好，遷移率可達21 cm2V^-1·s^-1，接觸電阻可達3.8 kΩ·µm，導通電流密度可達120µA·µm^-1，可比擬單晶晶體管。

4. Lake Shore低溫探針臺系列

　　美國Lake Shore公司的低溫探針臺根據制冷方式不同，主要分為無液氦低溫探針臺和消耗制冷劑低溫探針臺，其下又因為磁場方向、尺寸大小差別，有更多型號的細分，適用于不同應用場景（電學、磁學、微波、THz、光學等），客戶可根據需要，選擇不同的溫度和磁場配置。客戶可以選擇自己搭配測試儀表集成各類測試，也可以選擇我們的整體測試解決方案，如電輸運測試、半導體分析測試、霍爾效應測試、鐵電分析測試，集成光學測試等。

圖5. 低溫探針臺選型和適用的應用場景

　　Lake Shore低溫探針臺主要特征

　　? 最大±2.5 T磁場

　　? 低溫至1.6 K，高溫至675 K

　　? 低漏電測量

　　? 最高67 GHz高頻探針

　　? 3 kV 高電壓探針（定制）

　　? 大溫區低溫漂探針

　　? 真空腔聯用傳送樣品（定制）

　　? ＜30 nm低振動適用于顯微光學測量

　　? 無需翻轉磁場快速霍爾效應測試

　　? 多通道高精度低噪聲綜合電學測量

　　? 光電、CV、鐵電、半導體分析測試

參考文獻：

　　1. J. Jiang, L. Xu, C. Qiu, L.-M. Peng, Ballistic two-dimensional InSe transistors. Nature 616, 470-475 (2023).

　　2. S. Li, X. Liu, H. Yang, H. Zhu, X. Fang, Two-dimensional perovskite oxide as a photoactive high-κ gate dielectric. Nature Electronics 7, 216-224 (2024).

　　3. J. Kwon et al., 200-mm-wafer-scale integration of polycrystalline molybdenum disulfide transistors. Nature Electronics 7, 356-364 (2024).

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