我国是全球数码、电子产品制造基地，正深受“高速光电子芯片”核心技术受制于人的“卡脖子”之痛。如今，空穴（p）型沟道器件的场效应迁移率总是远低于电子（n）型沟道器件，使得高速光电子芯片的持续小型化充满挑战和机遇。实现超高空穴迁移率的p型场效应晶体管将有效解决当前高速光电子芯片卡脖子问题，服务国家战略，打破禁运。
图1通过金属-半导体结实现p沟道场效应晶体管超高场效应空穴迁移率的原理示意图
众所周知，散射（包括：库伦散射、晶格散射、表面散射等）是影响半导体载流子迁移率的重要因素。构建金属-半导体结可以控制半导体的载流子浓度，调控散射机制，是提升迁移率的一个有效手段。如图1所示，当半导体与较低功函数的金属接触时，金属中的电子将注入半导体中，从而导致n型半导体中电子浓度增加或p型半导体中空穴浓度降低。另一方面，当半导体与较高功函数的金属接触时，n型半导体电子浓度将降低，而p型半导体中空穴浓度将提高。载流子与杂质离子浓度的降低，将有效地减弱库伦散射，提升迁移率。近日，山东大学物理学院杨再兴教授团队与湖南大学廖蕾教授以及香港城市大学Johnny C. Ho教授合作，利用金属-半导体结调控沟道空穴浓度，实现了超高空穴迁移率场效应晶体管。
图2 通过Al-GaSb结提高GaSb纳米线的场效应空穴迁移率
如图2所示，研究人员沉积较低功函数金属Al时，p型场效应晶体管的阈值电压实现了从6.8 V至1.5 V的有效负移。随着Al厚度的增加，阈值电压负移的更明显，说明场效应晶体管的栅极调控变得更加容易，这得益于纳米线中空穴浓度的减少。重要的是，峰值场效应空穴迁移率从1214 cm2·V-1·s-1增加到了3372 cm2·V-1·s-1，这是目前文献报道的在大气室温环境下p沟道场效应晶体管中空穴迁移率的最高值。
图3 利用不同功函数的金属构建金属-半导体结调控GaSb纳米线场效应空穴迁移率
为了更全面地验证场效应空穴迁移率的调控机制，研究人员发现当沉积功函数低于GaSb的其他种类金属Ti和Sn时，纳米线场效应晶体管的阈值电压同样出现明显的负移动现象。如图3所示，随着空穴浓度的降低，纳米线场效应晶体管的峰值空穴迁移率分别增加到1938 cm2·V-1·s-1和2840 cm2·V-1·s-1。相反，当沉积较高功函数的金属Ni和Pt时，GaSb纳米线场效应晶体管的阈值电压发生正向偏移，空穴浓度增加，峰值空穴迁移率分别降低到434 cm2·V-1·s-1和489 cm2·V-1·s-1。
图4 (a) 利用金属-半导体结提高空穴迁移率的普适性；(b) p型GaSb纳米线与n型InGaAs纳米线的CMOS反相器
为了验证通过简单地构建金属-半导体结提高器件场效应空穴迁移率方法的普适性，研究人员还探究了金属-半导体结对p型GaAs纳米线场效应晶体管，GaAs薄膜场效应晶体管和二维 WSe2场效应晶体管的迁移率调控作用。如图4所示，结果证明了这种简单构造的金属-半导体结都有效提高了p型场效应晶体管的空穴迁移率，其性能可以与n型场效应器件媲美。进一步，研究人员将此p型GaSb纳米线场效应晶体管与n型InGaAs纳米线场效应晶体管组合构建了CMOS反相器。得益于n型场效应晶体管和p型场效应晶体管之间迁移率的匹配和阈值电压的分离，CMOS反相器展示出良好的反向特性，其增益达到18.1。
该工作以“TowardUnusual-High Hole Mobility of p-Channel Field-Effect-Transistors”为题发表在《Small》上。论文的第一作者为山东大学博士生孙嘉敏和博士后庄昕明，该项工作得到了长春理工大学魏志鹏教授、南京理工大学宋秀峰副教授，山东大学陈峰教授、田玉峰教授、庞智勇副教授等老师的指导和支持，得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省泰山学者、山东大学青年交叉创新群体等项目的支持。
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