上海交大但亚平课题组：在单原子掺杂研究方面迈出了重要一步|Nature Communications论文推荐

《自然-通信》的编辑和审稿人均认为这是一个重要的发现，它为单分子薄膜掺杂技术指明了方向。

编辑 谭坤

离子注入是集成电路最成熟的掺杂技术，但离子注入会引入物理损伤，对于深亚纳米 CMOS 器件性能影响很大，另外，离子注入技术在三维掺杂（FIN-FET）以及浅沟掺杂（抑制 CMOS 晶体管短沟效应）方面也困难重重，无法满足技术发展的要求。

自组装单分子膜掺杂技术是近年发展起来的一种新型掺杂技术，主要优点包括：1）无物理损伤；2）能实现三维掺杂；3）易于形成浅沟掺杂（10纳米以下），正好能弥补离子注入的缺陷，满足当前集成电路发展的需求，是一种极具潜力的掺杂技术。

该技术采用有机分子携带掺杂原子，利用分子自组装的特性，在半导体表面形成一层自限制的单分子薄膜，由于每个分子携带的掺杂原子数可控，因此掺杂原子在半导体表面的总量是可控的。通过调节每个分子携带的掺杂原子数和有机分子的尺寸（欧美同行的主要关注点），可以实现不同的掺杂浓度。但亚平课题组感到这种掺杂原子数可控的特性非常有趣。可以想象，如果每个分子携带一个掺杂原子，那么通过实现对单个分子的可控自组装（已有研究做到这一点），则有可能实现对单个掺杂原子的大规模集成。实现单个掺杂原子的大规模集成，有可能让集成电路晶体管缩小至原子级别，这对发展未来的单原子电子学和半导体量子计算机具有非常重要的意义。带着这样一种憧憬，但亚平课题组开展了相关研究。

课题组首先采用蛋白质作为杂质载体，因为蛋白质结构稳定、尺寸可控，且蛋白质通过磷酸化易于实现携带单个磷原子（磷是重要的硅半导体掺杂原子），因此，通过控制单个蛋白质，有可能实现对单个磷原子的大规模操控。但深入研究发现蛋白质本身所含的氮元素会对硅掺杂，且掺杂效率很低（<1%），更糟糕的是氮还会和磷形成复合体，从而大幅降低磷的激活率（～1%），因此载体分子不能含有氮元素(Sci. Rep 5 (2015) 12641)，排除了蛋白质作为载体分子的可能，虽然仍然有一些欧美同行采用含氮有机分子作为载体。随后，课题组合成了仅含碳、氢、氧的聚甘油分子载体（Sci. Rep. 7 (2017)41299），每个聚甘油分子体积可控，且只携带一个磷原子，但在研究少数几个磷原子的电学活性时，发现磷的激活率虽然有所提高，却仍然很低（～7%）。显然，就算能够实现大规模集成单个磷原子，若磷原子的电学激活率很低，则绝大部分磷原子并不能实现其相应的电学功能，在这种情况下，发展单原子电子学和半导体量子计算机的目标是不可能实现的。针对这一问题，课题组采用一些先进的半导体测量技术，包括低温霍尔效应、深能级瞬态谱等，对单分子薄膜掺杂过程进行了深入研究，发现碳缺陷态是导致磷原子电学活性低的罪魁祸首，并对碳缺陷态进行了系统表征。实际上这也容易理解，因为有机分子载体中本身含有大量的碳，这些碳不可避免地与磷一起扩散到半导体中，形成了深能级缺陷态，降低了磷的电学活性，特别对于单个磷原子的情形，而这一点一直被国际同行所忽视。

《自然-通信》的编辑和审稿人均认为这是一个重要的发现，它为单分子薄膜掺杂技术指明了方向。这也是该课题组在单原子掺杂研究方面迈出的重要一步。实际上，碳缺陷态一直都是半导体的一个重要问题。上个世纪60年代，人们就研究过硅中的碳缺陷态问题，发现碳缺陷引起了CMOS晶体管一系列问题，只有当碳缺陷态被去除后，集成电路才得以成功发展。因此，通过大规模控制单个杂质原子，发展单原子电子学和半导体量子计算机，也必须去除碳缺陷才可能，研究组目前正在进行这一研究。

通讯作者简介

但亚平特别研究员

但亚平现任上海交通大学特别研究员，密西根学院副教授， 1999年本科毕业于西安交通大学，2002年硕士毕业于清华大学，2008年博士毕业于美国宾夕法尼亚大学。博士毕业后，在哈佛大学从事博士后研究，2012年加入上海交通大学密西根学院，同年入选中组部“青年千人计划”。但教授的研究工作主要集中在全硅基光电子和单原子电子学，为未来先进集成电路和量子计算机技术提供关键解决方案。

相关论文信息

标题 Deep level transient spectroscopic investigation of phosphorus-doped silicon by self-assembled molecular monolayers

作者 Xuejiao Gao, Bin Guan, Abdelmadjid Mesli, Kaixiang Chen & Yaping Dan

Nature Communications 9, Article number: 118 (2018)

doi:10.1038/s41467-017-02564-3

出版日期 Published online:09 January 2018

摘要 It is known that self-assembled molecular monolayer doping technique has the advantages of forming ultra-shallow junctions and introducing minimal defects in semiconductors. In this paper, we report however the formation of carbon-related defects in the molecular monolayer-doped silicon as detected by deep-level transient spectroscopy and low-temperature Hall measurements. The molecular monolayer doping process is performed by modifying silicon substrate with phosphorus-containing molecules and annealing at high temperature. The subsequent rapid thermal annealing drives phosphorus dopants along with carbon contaminants into the silicon substrate, resulting in a dramatic decrease of sheet resistance for the intrinsic silicon substrate. Low-temperature Hall measurements and secondary ion mass spectrometry indicate that phosphorus is the only electrically active dopant after the molecular monolayer doping. However, during this process, at least 20% of the phosphorus dopants are electrically deactivated. The deep-level transient spectroscopy shows that carbon-related defects are responsible for such deactivation.

链接 https://www.nature.com/articles/s41467-017-02564-3

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