01研究背景

短溝道效應嚴重制約了硅基晶體管尺寸的進一步縮小，限制了其在先進節點集成電路中的應用。開發新材料和新技術對于維系摩爾定律的延續具有重要意義。以二硫化鉬 (MoS2) 為代表的二維半導體，即使在單層厚度下依然具有優異的電學性能，展現出在短溝道電子器件中的巨大應用潛力。然而，本征 MoS2作為 n 型半導體，本身不足以構建低功耗互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 電路，因此實現 MoS2中的 p 型載流子通道對于構建 CMOS 電路具有重要意義。摻雜是改變半導體極性的常用策略，V、Nb 和 Ta 等第五副族元素比 Mo 少一個價電子，是常見的 p 型摻雜劑。然而，目前人們對于摻雜 MoS2在短溝道下的電學特性仍然缺乏必要的認識。

02研究內容

近日，上海科技大學紀清清教授課題組通過使用密度泛函理論 (DFT) 和量子輸運模擬，以 VS2-MoS2-VS2 面內異質結為模型體系構建二維晶體管，揭示了 V 摻雜位點在短溝道下具有輔助隧穿效應和雜質散射的雙重電子學功能。

圖1MoS2、V 摻雜 MoS2以及 VS2 的電子結構。

文章首先通過 DFT 計算了 MoS2，V 摻雜 MoS2以及 VS2 的電子結構，如圖1所示，相比于本征 MoS2，V 摻雜對 MoS2電子結構的主要影響表現為在價帶頂引入了新的電子態。

圖2 以 VS2 和 V-MoS2 面內異質結為基礎構建晶體管，EOT = 0.5 nm (a)。b, c 為價帶頂的 LDOS 圖。

緊接著，作者以 VS2, V-MoS2, VS2 面內異質結為基礎構建晶體管 (EOT = 0.5 nm)，以此來研究 V 摻雜位點在短溝道時對電輸運的影響。文章首先計算了溝道區域的差分電荷密度，結果表明，V 原子只與最近鄰的 Mo 原子發生了電子交換。該結果同樣反映在價帶頂的 LDOS 中，如圖2b, c 所示，在 V 摻雜位點及其最近鄰 Mo 原子上有電子態分布，而其他溝道區域則沒有。

圖3不同溝道長度下器件的轉移特性曲線，以及從中提取的開、關態電流及開關比。

作者進一步通過 NEGF-DFT 對不同溝道長度下的本征 MoS2及 V-MoS2做電學輸運模擬。研究發現，在溝道長度小于1.8 nm 時，V-MoS2 相比于本征 MoS2具有更高的閾值電壓和更大開態電流。而當溝道長度增加到 2.4 nm 時，V-MoS2轉移曲線的亞閾值區間出現跨導峰，這一跡象在溝道長度為 3 nm 時得到了極致體現。當溝道長度進一步增大時，V-MoS2的轉移曲線變得不再光滑。

圖4Lch = 3 nm 時，不同柵壓下的 PDOS 及對應的電子透射譜。

為了深入理解這一現象，作者以溝道長度為 3 nm 的器件為例，分析了不同柵壓下的 PDOS。如圖4所示，隨著柵壓的減小，溝道區域的電子態被逐漸拉高，首先進入偏置窗口的是 V 摻雜位點的電子態。在該溝道長度下，載流子可以首先隧穿到 V 摻雜位點處，再隧穿到另一端電極，從而形成電流通道，在亞閾值區間表現為一個顯著的拐點。

圖5 不同溝道長度下 V 摻雜位點作用機制示意圖。

作者繪制了不同溝道長度下 V 摻雜位點作用機制示意圖以更加直觀的說明其作用原理。如圖5所示，當溝道長度小于 1.8 nm 時，載流子可以直接在兩側電極之間隧穿，而V摻雜態則提供了更多的隧穿機會，表現為開態電流增大。當溝道長度介于 2.4 nm 和 3 nm 之間時，載流子無法在兩側電極之間直接隧穿，但是可以通過 V 摻雜位點實現間接隧穿，即載流子先從一側電極隧穿到 V 摻雜位點上，再隧穿到另一側電極。在該溝道長度下，V 摻雜位點表現出輔助隧穿的作用，在亞閾值區間出現顯著的拐點。當溝道長度進一步增加時，由于 V 摻雜位點距離兩端電極過遠，載流子無法實現從電極到摻雜位點的隧穿，所以此時 V 摻雜位點表現為人們所熟知的載流子散射作用，阻礙載流子的傳導，使得轉移曲線不光滑。

03總結展望

這項工作使用 NEGF-DFT 揭示了短溝道二維晶體管中雜原子摻雜的電子效應，發現了 MoS2中 V 摻雜位點的雙重電子學功能，即輔助隧穿增大源漏電流以及作為散射中心阻礙載流子傳導。這兩種相互競爭的電子效應可以通過在 5 nm 以下的范圍內改變溝道長度來進行調制。這項工作加深了人們對于摻雜二維材料短溝道電學特性的認識。上海科技大學物質學院博士生魯躍和碩士生李晨雨為本文的共同第一作者，紀清清教授為獨立通訊作者。

05通訊作者簡介

紀清清，上海科技大學物質科學與技術學院助理教授、研究員、博士生導師，致力于化學途徑實現下一代低維電子學。已在 Sci. Adv.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Nano Lett. 等期刊上發表60余篇研究論文（第一或通訊作者論文20余篇），谷歌學術總引用6000余次，H-index=38。