使用源自 TCAD 建模的通用方法绘制缩放 MoS2 场效应管的多样迟滞动力学图谱

为什么微小开关需要可靠的行为

现代电子正朝着越来越小的晶体管迈进，像二硫化钼（MoS2）这样的二维（2D）材料是未来芯片的有力候选。但随着这些开关的缩小，其行为可能变得不稳定：同一器件可能会根据前一刻的使用方式呈现不同响应。这种类似记忆的效应称为迟滞，常被当作小麻烦忽略不计。在这项工作中，作者表明迟滞实际上隐藏着关于先进晶体管内部隐蔽缺陷的大量信息——并提出了一种通用方法来读出这些信息。

下一代晶体管如何构造

未来的二维场效应晶体管使用超薄的 MoS2 作为电流流动的沟道，上面覆盖非常薄的绝缘氧化物（例如氧化铪 HfO2），并在顶部放置金属栅极。为了继续缩小器件，从电学角度看该氧化层必须接近一纳米厚，这意味着氧化物中任何单个缺陷都能强烈扰动沟道。这些缺陷像微小陷阱一样可以暂时捕获或释放电荷。由于缺陷可以位于氧化物的不同深度并同时与沟道和栅极相互作用，它们的集体行为会以微妙方式稳定或不稳定晶体管。理解这种缺陷分布对于让二维晶体管与当今硅技术竞争至关重要。

晶体管为何会记住过去

当工程师对栅极电压进行上、下扫描并记录电流时，常常发现正向和反向扫描曲线并不重合。这个回路就是迟滞。传统上，研究者在单个工作点处测量两条曲线之间的距离，并称之为迟滞宽度，通常断定它“很小”或“可忽略”。作者认为这种做法具有误导性，特别是对于缩放器件，不同缺陷群可能以相反方式贡献效应。取决于测量速度和工作电流，同一晶体管可能显示传统的顺时针回路、反向的逆时针回路、两者之间切换，甚至在相互抵消时几乎没有迟滞。

曲线中隐藏的通用图谱

为了解开这种复杂性，团队对具有经过精确控制的不同深度氧化物缺陷分布的纳米级 MoS2 晶体管进行了详细的计算机仿真（TCAD）。随后他们提出了一种通用的迟滞映射方法。不再提取单一数值，而是在从略高于关断状态到接近导通状态的广泛电流范围内扫描迟滞宽度——并且覆盖跨越多个数量级的扫描时间。这会产生数千条曲线，展示在每个电流下迟滞如何随测量速度变化。由此他们定义了将所有可能行为包络的上下两条“通用迟滞函数”。这些包络清晰地揭示了哪类缺陷在起作用、它们主要与沟道还是上栅相互作用，以及它们倾向于产生顺时针还是逆时针回路。

将快速回路与长期漂移联系起来

导致迟滞的相同缺陷也会在长时间应力下驱动晶体管行为的缓慢漂移，这个问题称为偏置温度不稳定性（BTI）。通过模拟标准的施加应力与恢复实验，作者将其迟滞图谱中的特征与不寻常的 BTI 特征联系起来，例如仅在随后松弛到正向时才出现的表观负移。他们表明，靠近沟道的陷阱倾向于引起缓慢且大部分永久的位移，而靠近栅极的陷阱会导致更快但大体可逆的变化。他们的方法不仅可用于模拟的 MoS2 器件，也可用于来自研究洁净室和试制生产线的真实 MoS2 与 WSe2 晶体管的测量数据，包括氧化物中漂移离子加入电荷陷获过程的情况。

从复杂数据到实用指导

通过将杂乱的迟滞回路转换为标准化图谱，这项工作为新兴晶体管技术提供了强有力的诊断工具。该方法可直接作用于实验数据集，不需要访问高级仿真工具，使其在各实验室间具有广泛可用性。对于工程师而言，关键信息是迟滞不仅仅是需要最小化的缺陷，而是潜在可靠性问题的指纹。用所提出的映射方法解读该指纹可以指导更好的材料选择、更洁净的界面和更智能的工艺，从而帮助二维晶体管从有前途的原型发展为真正可靠的未来电子构建模块。

引用: Lv, Y.Z., Wu, Y.H., Cai, H.H. et al. Mapping diverse hysteresis dynamics in scaled MoS₂ FETs using the universal method derived from TCAD modeling. npj 2D Mater Appl 10, 35 (2026). https://doi.org/10.1038/s41699-026-00671-8

关键词: 二维晶体管, 迟滞, 氧化物缺陷, 器件可靠性, MoS2 FETs