狂发Nature等顶刊！Lake Shore低温探针台，助力超越硅极限的二维晶体管革新

当今科技迅猛发展，电子器件的小型化和性能提升是科研人员的极致追逐。其中，晶体管是当代电子设备中不可或缺的核心组件，其尺寸微缩和性能提升直接关系到整个电子行业的进步。与此同时，硅基场效应晶体管（FET）的性能逐渐逼近本征物理极限，国际半导体器件与系统路线图（IRDS）预测硅基晶体管的栅长最小可缩短至12 nm，工作电压不低于0.6 V，这决定了未来硅基芯片缩放过程结束时的极限集成密度和功耗。因此，迫切需要发展新型沟道材料来延续摩尔定律。

二维（2D）半导体具备可拓展性、可转移性、原子级层厚和相对较高的载流子迁移率，被视为超越硅基器件的下一代电子器件的理想选择。近年来，先进的半导体制造公司和研究机构，都在对二维材料进行研究。Lake Shore的低温探针台系列产品可容纳最大1英寸（25.4mm）甚至8英寸的样品，可以为二维半导体材料研究提供精准的温度磁场控制及精确可重复的测量，是全球科研工作者的值得信赖的工具。本文我们将结合近期Nature、Nature electronics期刊中的前沿成果，一起领略Lake Shore低温探针台系列产品在二维晶体管革新中的应用吧！

图1. Lake Shore低温探针台

1. 探针台电学测量揭秘最快二维晶体管——弹道InSe晶体管

对于二维半导体晶体管的速度和功耗方面的探索，北京大学电子学院彭练矛院士，邱晨光研究员课题组报道了一种以2D硒化铟InSe为沟道材料的高热速度场效应晶体管，首次使得二维晶体管实际性能超过Intel商用10纳米节点的硅基FinFET（鳍式场效应晶体管），并将工作电压下降到0.5V，称为迄今速度最快、能耗最低的二维半导体晶体管。相关研究成功以“Ballistic two-dimensional InSe transistors”为题发表于《Nature》上。

基于Lake Shore 低温探针台完成的电学测试表明，在0.5 V工作电压下，InSe FET具有6 mS·μm^-1的高跨导和饱和区83%的室温弹道比，超过了任何已报道的硅基晶体管。实现低亚阈值摆幅(SS)为每75 mV·dec^-1，漏极诱导的势垒降低(DIBL)为22  mV·V^-1。此外，10nm弹道InSe FET中可靠地提取了62 Ω·μm的低接触电阻，可实现更小的固有延迟和更低的能量延迟积(EDP)，远低于预测的硅极限。

这项工作首次证实了2D FET可以提供接近理论预测的实际性能，率先在实验上证明了二维器件性能和功效上由于先进硅基技术，为2D FET发展注入信心和活力。

2. 探针台光电测量揭示光活性高介电常数栅极电介质——2D钙钛矿氧化物SNO

与2D半导体兼容的高介电常数的栅极电介质，对缩小光电器件尺寸至关重要。然而传统三维电介质由于悬挂键的存在很难与2D材料兼容。为解决以上问题，复旦大学方晓生教授等人进行了大量研究实验，发现通过自上而下方式制备的2D钙钛矿氧化物Sr₁₀Nb₃O₁₀（SNO）具有高介电常数（24.6）、适中带隙、分层结构等特点，可通过温和转移的方法，与各种2D沟道材料（包括石墨烯、MoS₂，WS₂和WSe₂）等构建高效能的光电晶体管。文章以“Two-dimensional perovskite oxide as a photoactive high-κ gate dielectric”为题发表在Nature electronics上。

图3. 具有SNO顶栅介电层的双栅WS2光电晶体管的电特性和光响应

基于Lake Shore探针台的光电测试表明，SNO作为顶栅介电材料，与多种通道材料兼容， 集成光电晶体管具有卓越的光电性能。MoS₂晶体管的开/关比为106，电源电压为2V，亚阈值摆幅为88 mV·dec^-1。在可见光或紫外光照射下，WS₂光电晶体管的光电流与暗电流比为~106，紫外(UV)响应度为5.5 × 103 A·W^-1，这是由于栅极控制和光活性栅极电介质电荷转移的共同作用。本研究展示了2D钙钛矿氧化物Sr₂Nb₃O₁₀（SNO）作为光活性高介电常数介质在光电晶体管中的广泛应用潜力。

3. 探针台电学测量探索200毫米晶圆级集成——多晶MoS₂晶体管

二维半导体，例如过渡金属硫族化合物（TMDs），是一类很有潜力的沟道材料，然而单器件演示采用的单晶二维薄膜，均匀大规模生长仍具挑战，无法应用于大尺度工业级器件制备。与单晶相比，多晶TMD的较大规模生长就容易很多，具备工业化应用集成的潜力。

有鉴于此，三星电子有限公司Jeehwan Kim和Kyung-Eun Byun 团队提出一种使用金属-有机化学气相沉积（MOCVD）制造大规模多晶硫化钼（MoS₂）场效应晶体管阵列的工艺，与工业兼容，在商用200毫米制造设备中进行加工，成品率超过99.9%。文章以“200-mm-wafer-scale integration of polycrystalline molybdenum disulfide transistors”为题发表在Nature electronics上。

图4. 三种不同接触类型（a常规顶部接触，b多晶MoS₂的底部接触，c单层MoS2底部接触）的电学特性和肖特基势垒高度

基于Lake Shore低温探针台CPX-VF的电学测试表明，相比于顶部接触，底部接触可以更好的消除2D FETs阵列中多晶2D/金属界面的肖特基势垒。没有肖特基势垒的多晶MoS₂场效应晶体管表现良好，迁移率可达21 cm2V^-1·s^-1，接触电阻可达3.8 kΩ·µm，导通电流密度可达120µA·µm^-1，可比拟单晶晶体管。

4. Lake Shore低温探针台系列

美国Lake Shore公司的低温探针台根据制冷方式不同，主要分为无液氦低温探针台和消耗制冷剂低温探针台，其下又因为磁场方向、尺寸大小差别，有更多型号的细分，适用于不同应用场景（电学、磁学、微波、THz、光学等），客户可根据需要，选择不同的温度和磁场配置。客户可以选择自己搭配测试仪表集成各类测试，也可以选择我们的整体测试解决方案，如电输运测试、半导体分析测试、霍尔效应测试、铁电分析测试，集成光学测试等。

图5. 低温探针台选型和适用的应用场景

Lake Shore低温探针台主要特征

☛ 最大±2.5 T磁场

☛ 低温至1.6 K，高温至675 K

☛ fA级低漏电测量

☛ 最高67 GHz高频探针

☛ 3 kV 高电压探针（定制）

☛ 大温区低温漂探针

☛ 真空腔联用传送样品（定制）

☛ ＜30 nm低振动适用于显微光学测量

☛ 无需翻转磁场快速霍尔效应测试

☛ 多通道高精度低噪声综合电学测量

☛ 光电、CV、铁电、半导体分析测试

参考文献：

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).