近日，南方科技大学深港微电子学院陈鹏课题组在 P 型二维晶体管领域取得重要进展。面向下一代低功耗二维 CMOS 集成电路，P 型二维晶体管性能长期显著落后于 N 型器件，成为制约二维芯片发展的关键瓶颈。针对该难题，团队创新性提出弱无序工程掺杂策略，克服了传统 P 型二维半导体杂质掺杂技术无法兼顾高效空穴掺杂与优异空穴输运性能的核心挑战。相关成果以 “High-performance p-type two-dimensional transistors enabled by weak disorder engineering” 为题，发表于国际权威期刊Nature Communications。
人工智能等领域的发展对低功耗芯片提出了持续增长的需求。二维半导体晶体管具备优异的抗短沟道效应能力，是实现亚纳米节点低功耗芯片的重要技术方案。低功耗芯片的实现依托互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，即在同一半导体基底上同时集成 N 型与 P 型晶体管。目前，N型MoS2和WS2晶体管的性能已达到了与硅基晶体管相当的水平；然而，P型MoS2和WS2二维晶体管的性能仍严重滞后，成为制约二维低功耗芯片发展的关键瓶颈。P型二维晶体管性能难以突破的核心挑战在于：现有 P 型掺杂技术难以同时实现有效的空穴掺杂与优良的空穴输运性能。硅等体半导体的掺杂依靠在晶格中引入异价杂质原子（例如引入三价硼原子对硅实现 P 型掺杂）。与硅等体半导体不同，二维半导体存在强量子限域效应，引入异价掺杂原子容易在二维半导体内部形成深能级受主缺陷态，显著劣化载流子输运性能。此外，传统替位杂质掺杂技术（如离子注入）极易破坏二维半导体的晶格结构，进一步恶化载流子输运特性。
南科大陈鹏课题组对此展开了长期深入研究，创新性提出了弱无序工程策略：一种温和的两步工艺，即先在二维半导体上创造硫原子空位，然后再利用同价的氧进行钝化（图1）。该技术一方面通过微调二维半导体价带顶附近的能带结构，引入近价带缺陷态，进而产生有效空穴掺杂；另一方面避免了深能级缺陷的产生，且较好地保持二维半导体晶格结构，因而能够实现优良的空穴输运性质。此外氧钝化还在二维半导体中引入压缩应变，能够进一步提升空穴的输运性质。
图1. 弱无序工程实现高性能P型掺杂的原理
团队利用该技术制造了基于MoS2和WS2的P型晶体管器件。通过弱无序工程，MoS2 P型晶体管平均场效应迁移率从~4.1 cm² V-1 s-1 大幅提高到 ~118.8 cm2 V-1 s-1。最高场效应迁移率可达212 cm2V-1s-1，开关比1.1×108 （图2）。当器件沟道长度缩减到200纳米，VDS=1 V时，器件电流密度达到106.4μA/μm。
图2. 通过弱无序工程实现高性能P型MoS2晶体管器件
通过弱无序工程，P型WS2 晶体管平均场效应迁移率达到 ~186.3 cm2 V-1 s-1。最高场效应迁移率可达294 cm2V-1s-1，开关比1.3×109 （图3）。当器件沟道长度缩减到150纳米，VDS=1 V时，器件电流密度达到276μA/μm。
图3. 通过弱无序工程实现高性能P型WS2晶体管器件
以上P型MoS2和WS2晶体管器件性能处于当前国际领先水平。基于该技术实现的P型晶体管器件亦展现出了良好的稳定性。此外团队还利用弱无序工程改性的P型WS2与N型WS2构建了CMOS同质反相器（图4）。该反相器实现了高电压增益与低功耗特性，验证了弱无序工程在低功耗二维CMOS逻辑器件领域的应用潜力。
图4. WS2同质CMOS反相器
团队发展的弱无序工程策略，使 MoS2与 WS2的P型器件性能能够成体系地追赶N型性能，且该策略已在WSe2体系上验证具备可迁移性。后续若结合器件接触工程、栅介质工程、并攻克大面积薄膜的工艺均匀性难题，器件性能和一致性有望进一步提升，弱无序工程有望成为构筑低功耗二维互补逻辑电路的重要技术方案。
南方科技大学2024 级博士研究生魏英豪、2023 级本科生张禹尘为论文共同第一作者，陈鹏副教授为通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。论文的第一性原理计算工作由日本东北大学 Yu Kumagai 教授与 Rafael Costa-Amaral 博士完成。该研究得到国家自然科学基金面上项目、量子功能材料全国重点实验室、广东省拓扑物态重点实验室等资助支持。
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