华科大翟天佑教授团队 Nat. Mater.: 二维半导体上复合高κ介电材料的规模化集成

近 日，《 Nature Materials 》 在线发表了 华中科技大学材料学院 、 材料成形与模具技术全国重点实验室翟天佑教授 和 刘开朗副教授团队 题为“ Scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors” 的研究论文。 华中科技大学 材料学院博士生 徐永善 和 刘腾 为论文共同第一作者， 翟天佑 和 刘开朗 为通讯作者。 材料学院李会巧教授、赵英鹤副教授、诸葛福伟副教授以及南京大学王欣然教授、燕山大学聂安民教授等共同参与该项研究工作。

基于硅基半导体的场效应晶体管（FET）沿着摩尔定律不断微缩，已经接近其物理极限。二维半导体具有原子级厚度和优异的栅极控制性能，能有效避免短沟道效应，是取代硅基半导体构筑下一代FET的理想沟道材料。然而，在二维半导体表面集成高质量的栅极介电层却面临重大挑战。一方面，传统高κ介电材料（HfO2等）与二维半导体结构不兼容，且介电层在其表面难以均匀集成；另一方面，二维介电材料（hBN等）与二维半导体界面兼容却存在介电常数低、集成难以规模化等问题。因此，如何通过与半导体制造工艺相兼容的方法在二维半导体上集成兼具高质量界面和高介电性质的介电层是二维半导体器件领域面临的关键难题。针对上述挑战，翟天佑教授团队提出利用无机分子晶体Sb2O3作为缓冲层构筑HfO2/Sb2O3复合介电层的策略，在二维晶体管中实现了兼具高质量界面与高介电性质介电层的集成，为低功耗、高性能二维晶体管的制备和规模化集成打开了新局面。

图1. HfO2/Sb2O3复合介电层的制备及表征

无机分子晶体Sb2O3表面无悬挂键，沉积在二维半导体表面，可与之形成高质量的范德华界面。与此同时，Sb2O3的高亲水性可有效促进原子层沉积过程中前驱体的吸附以及高κ介电材料的沉积。利用无机分子晶体的以上特性，结合高κ介电材料优异的介电性质，即可构筑兼具高质量界面与高介电性能的复合介电层（图2）。该集成方法能在不同二维材料（石墨烯、MoS2等）上实现超薄介电层的均匀集成，并与二维半导体形成高质量界面，展现出极高的普适性。HfO2/Sb2O3复合介电层的等效氧化层厚度（EOT）可低至0.67 nm，为当前二维晶体管介电层的最低值。优异的界面质量降低了界面态密度，以MoS2为沟道的FET的亚阈值摆幅低至60 mV/dec，达到理论极限。晶体管阵列器件呈现出优异的均一性，满足二维晶体管的规模化集成要求。同时，得益于超低的EOT与优异的界面质量，该晶体管在0.4 V的超低工作电压下即可获得超过106的开关比，是目前FET中最高栅极控制效率（图3）。

图2. 基于HfO2/Sb2O3复合介电层FET的性能表征及对比

该研究结果为二维晶体管介电层集成问题提供了新策略，为未来二维半导体在高集成度、低功耗电子器件中的应用铺平了道路。

本研究工作得到了国家自然科学基金（21825103、U21A2069、52202171）等项目资助。

翟天佑教授团队 围绕二维无机分子晶体领域该团队于2019年在国际上率先提出二维无机分子晶体的新概念（Nature Communications 2019, 10, 4728.），近年来在该领域展开了深入研究，先后在Nature Materials、Nature Electronics、Nature Communications、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition发表了多篇研究论文。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01626-w

相关进展

华中大翟天佑教授团队《Adv. Mater.》综述 ：二维电子器件中的介电层集成 - 挑战、发展与展望