随着传统硅基金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）技术逐渐接近物理极限，低维半导体材料的研究受到广泛关注。对齐型碳纳米管阵列（A-CNT）因其优异的迁移率、极薄的结构以及强短沟道效应抑制能力，被认为是硅基MOSFET的潜在替代方案。在未来超小型化和高能效的集成电路中，A-CNT MOSFET展现了极大的应用前景。然而，与硅基器件相比，A-CNT MOS器件在半导体与介电层界面的状态（Dit）上仍缺乏深入研究。界面状态不仅影响器件的电学性能，也决定了其能效和可靠性。针对这一问题，本文通过优化器件结构和沉积工艺，系统分析了界面状态的物理机制并提出了有效的解决方案。
研究首先从器件的设计与制造入手，利用大面积、高密度的A-CNT阵列，开发了一种适合电学表征的半垂直MOS结构。这种设计避免了传统MOS器件中的寄生电阻和电容问题，为后续数据采集和分析提供了高质量的实验平台。为了进一步提升器件的界面性能，研究团队创新性地引入了氧增强原子层沉积（ALD）技术。传统的ALD工艺在碳纳米管表面沉积氧化铪（HfO₂）时，由于碳表面化学活性低，导致介电层形貌不均匀，甚至出现微观缺陷，如氧空位。通过优化ALD工艺，包括H₂O预浸和延长H₂O脉冲时间，研究有效改善了HfO₂的连续性与均匀性，大幅降低了界面状态密度。
实验结果显示，优化后的A-CNT MOS器件在界面状态密度（Dit）上取得了显著突破。传统器件的Dit通常达到10¹² cm⁻² eV⁻¹的量级，而本文通过氧增强工艺，将Dit降低至6.1 × 10¹¹ cm⁻² eV⁻¹，创下了低维半导体MOS器件中的最低记录。优化后的器件展现了卓越的电学性能，包括跨导（2.42 mS/μm）和开关比（10⁵），这些参数不仅优于现有的A-CNT MOSFET，也接近甚至超越了同节点的硅基器件。这一成果凸显了A-CNT在高性能和高能效半导体器件中的潜力。
除了实验优化，研究还通过第一性原理计算揭示了界面状态的物理来源。结果表明，HfO₂表面的氧空位是界面状态的主要来源，而非A-CNT本身的质量缺陷。这与硅基MOS系统中硅悬挂键为主要缺陷的情况截然不同。通过氧丰富的界面调控，研究团队不仅抑制了氧空位的形成，还显著改善了界面的电子结构，降低了界面态密度。值得注意的是，本文还发现了界面状态分布的特点，包括带隙中的典型“U型”分布，以及界面态在价带区域的局部峰值，这为进一步优化介电层和界面工程提供了重要参考。
为了验证优化方法的普适性，研究团队对不同密度的A-CNT阵列进行了系统对比。结果显示，高密度A-CNT阵列在改善栅极效率（FLE）方面表现尤为显著，优化后的器件栅极效率从传统器件的30%-60%提升至90%。此外，通过优化电容有效厚度（CET）和进一步降低界面态密度，A-CNT MOSFET有望满足国际器件与系统发展路线图（IRDS）对高性能和高能效器件的要求。理论模拟表明，将Dit降低至1 × 10¹⁰ cm⁻² eV⁻¹的目标将使A-CNT MOS器件在电学性能和功耗上全面超越硅基器件。
论文进一步探讨了A-CNT MOS器件在实际应用中的潜力。研究团队开发了一种基于顶栅设计的A-CNT MOSFET，通过缩短栅极长度（Lg）至90 nm，实现了峰值跨导（2.42 mS/μm）和饱和电流（2.34 mA/μm）的显著提升。同时，通过引入空气间隙和优化漏极结构，抑制了漏极感应栅极泄漏效应（GIDL），将器件的关态电流（Ioff）控制在10 nA/μm以内，进一步提高了开关比。
研究还通过对比其他低维半导体MOS器件与硅基器件，展示了A-CNT MOSFET的独特优势。与传统硅基技术相比，A-CNT器件不仅在相同栅极长度下展现出更高的跨导和更低的工作电压，还在开关比和能效上具备显著优势。这些性能特性使A-CNT成为未来数字和模拟集成电路的理想候选。
总的来说，这项研究从界面工程入手，系统优化了A-CNT MOSFET的结构与性能，为未来高性能、低功耗的集成电路提供了技术路线。通过改善介电层形貌、降低界面态密度以及提升栅极效率，研究团队成功突破了低维半导体器件的技术瓶颈。未来的工作可进一步关注微观缺陷的表征与钝化，结合工艺改进与理论模型，推动A-CNT MOSFET在高性能计算和能源敏感型应用中的实际落地。
原文：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c03989
信息来源：Carbontech
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