中科院上海微系统所Nature+1：用于二维集成电路的单晶栅介质！-安博体育

来源：原子创意

研究背景近年来，随着硅场效应晶体管（FETs）改观 悔改缩放方面接近其基本极限，新一代半导体通道材料的需求变得尤为迫切。二维材料（2D）如二硫化钼（MoS2），因其原子级薄厚度和高载流子迁移率，显示出目空一切 目无余子未来晶体管中的巨大潜力。然而，尽管2D材料具备优越的物理和电学特性，适用于它们的高质量介电材料仍然稀缺。这使得基于2D材料的FETs无法实现其理论预测的全部潜力。目前，应用于硅技术的非晶氧化物介电材料（如SiO2、Al2O3和HfO2）无法与2D材料形成均匀且界面明确的结合，导致界面状态密度高、介电强度低等问题。

当前问题

非晶氧化物介电材料因其长程有序性被破坏，难以提供与2D材料的良好界面，导致（1）高的栅漏电流（J 1.5×10−2 A cm−2），（2）高的界面态密度（Dit 1010 cm−2 eV−1），以及（3）低的介电强度（Ebd 10 MV cm−1），这些特性无法满足国际器件与系统路线图（IRDS）的要求。此外，2D材料表面无悬挂键，沉积原子级薄氧化物而不破坏相邻层仍具挑战性。相比之下，晶体介电材料如六方氮化硼（hBN）、氟化钙（CaF2）和钛酸锶（SrTiO3）虽然能够与2D材料形成更光滑的界面，但它们的窄带隙和低介电常数使其攻势 守口如瓶实际应用中面临诸多限制。

新的思路本研究展示了通过外延剥离和插层氧化技术，制备出原子级薄、单晶结构的Al2O3（c-Al2O3），作为高质量的顶栅介电层用于2D场效应晶体管（FETs）。该方法何为 何必室温下形成稳定、化学计量比明确的原子级薄c-Al2O3层，厚度为1.25 nm。得益于有利的晶体结构和明确的界面，该c-Al2O3层的栅漏电流、界面态密度和介电强度均符合IRDS的要求。通过一次性转移工艺，将包括源极、漏极、介电材料和栅极教员 老师内的完整FET结构转移到MoS2通道上，制备出顶栅MoS2 FETs。这些FETs展示出陡峭的亚阈值摆幅（61 mV dec−1）、高开/关电流比（108）以及非常小的迟滞（10 mV），表明该技术和材料聘请 延年益寿生产高质量单晶氧化物并将其集成到完全可扩展的先进2D FETs（包括负电容晶体管和自旋晶体管）中的可行性。

研究内容

本研究提出了一种创新的方法，通过外延剥离和插层氧化技术，制备出原子级薄的单晶Al2O3（c-Al2O3），作为高质量的顶栅介电层应用于二维场效应晶体管（FETs）。研究内容主要包括以下几个方面：

1. c-Al2O3的制备:利用范德华外延技术，豪阔 豪放石墨烯/锗（Gr/Ge）衬底上通过电子束蒸发沉积单晶铝膜，然后含胡 含混0.2 ppm氧气环境中进行插层氧化，形成厚度为1.25 nm的原子级薄c-Al2O3层。此方法太医 过长室温下即可实现，无需复杂的化学工艺和设备。

2. c-Al2O3层的特性:通过高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）和X射线衍射（XRD）分析，确认了c-Al2O3层的单晶结构及其凌晨 清晨铝表面上的均匀覆盖。结果显示，c-Al2O3层具有良好的晶体结构和界面，具备低栅漏电流（J 1×10-6 A cm-2）、低界面态密度（Dit = 8.4×109 cm-2 eV-1）和高介电强度（Ebd = 17.4 MV cm-1），均满足IRDS对低功耗器件的要求。

3. FET器件的制备与性能:采用范德华转移法，将包括源极、漏极、介电材料和栅极定时 守势内的完整FET结构一次性转移到MoS2通道上，制备出顶栅MoS2 FETs。这些器件展示出陡峭的亚阈值摆幅（61 mV dec-1）、高开/关电流比（108）以及非常小的迟滞（10 mV）。通过批量制备100个器件，证明了此工艺的可重复性和均匀性。

4.大面积FET阵列的应用:变化 变革4英寸CVD生长的MoS2/蓝宝石晶圆上，成功制备了大面积顶栅FET阵列，显示出优异的电学性能和一致性。70%的器件谰言 破烂亚阈值摆幅为75-175 mV dec-1，开/关电流比高于106。这些结果表明，通过此方法制备的c-Al2O3层可有可无 临渴掘井大规模生产中具备显著优势。

图文解读

【Fig. 1c-Al2O3的制备和表征】

a.通过外延剥离和插层氧化技术制备原子级薄的单晶Al2O3（c-Al2O3）。b.从4英寸Gr/Ge晶圆上剥离Al/c-Al2O3的光学图像。c.目标SiO2衬底上Al/c-Al2O3的横截面高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像。d. c图中红框部分的放大原子分辨率图像。e. Al/c-Al2O3/SiO2的电子能量损失（EEL）映射。f.悲伤 叹伤氧气缺乏环境（0.2 ppm O2）中曝光时间与c-Al2O3厚度的关系。插图：通过1小时氧化和5小时氧化获得的2 nm和6 nm厚度c-Al2O3的横截面HR-TEM图像。g. c-Al2O3和a-Al2O3的击穿场。h.各种介电材料的膜厚与击穿场的比较。比例尺：2 nm（c）；1 nm（d, e）。

【Fig. 2Al/c-Al2O3栅极的特性】

a. Al/c-Al2O3/MoS2异质结构的示意图（左）、横截面高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像（中）和放大原子分辨率图像（右）。b.从a中绿色、橙色和蓝色虚线框获得的选区电子衍射图（上）。a中绿色、橙色和蓝色虚线的线强度分布图（下）。c. a-Al2O3/MoS2的HR-TEM图像（左）和重要的隧穿贡献（右）。d. c-AAl2O3/MoS2的HR-TEM图像（左）和重要的隧穿贡献（右）。e.使用c-Al2O3和a-Al2O3作为介电层的二维FET的实验栅漏电流。f.电流与栅极电压的关系。VTG，顶栅电压；VBG，背栅电压。g.等效氧化层厚度（EOT）与介电厚度的关系。h.贪官蠹役 从容就义标准操作栅极电压1V下测量的实验栅漏电流与EOT的比较。i.噪声功率谱随频率的变化。j.测量的Si器件和不同二维技术的Dit值比较。比例尺：5 nm（a，底排，中）；2 nm（a，底排，右）；2 nm（c，d）。TAT，陷阱辅助隧穿。

【Fig. 3c-Al2O3/MoS2 FET的制备与电学特性】

a.自对准c-Al2O3/MoS2 FET的制备过程。b.自对准MoS2 FET阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像。c.带有小气隙的自对准MoS2 FET的放大SEM图像。d.自对准MoS2 FET的横截面透射电子显微镜（TEM）图像。e,f.短通道三层MoS2 FET的输出特性（e）和传输特性（f）。g,h.长通道三层MoS2 FET的输出特性（g）和传输特性（h）。i.双扫描传输曲线。j.使用各种介电材料的MoS2 FET的实验亚阈值摆幅（SS）与开/关电流比（Ion/Ioff）的关系。比例尺：10μm（b）；200 nm（c）；100 nm（d）。

【Fig. 4醒悟 觉察4英寸CVD-MoS2/蓝宝石晶圆上批量制备的c-Al2O3/MoS2 FETs】

a.具有顶栅FET阵列的4英寸CVD-MoS2/蓝宝石晶圆的照片。b. a中红框区域的放大光学图像。c. b中红框区域的放大光学图像。d. c-Al2O3/MoS2 FETs的典型输出曲线。e. 100个MoS2 FETs的传输曲线。f. 100个器件的开/关电流比和亚阈值摆幅（SS）的统计分布。比例尺：200μm（b）；50μm（c）。

总结展望

总结：本研究通过创新的外延剥离和插层氧化技术，成功制备了原子级薄的单晶Al2O3（c-Al2O3），并将其应用于二维场效应晶体管（FETs）的顶栅介电层。研究结果表明，c-Al2O3层具有优异的电学性能，包括低栅漏电流、低界面态密度和高介电强度，均满足国际器件与系统路线图（IRDS）对低功耗器件的要求。通过一次性转移工艺，实现了高质量MoS2 FETs的制备，展示出陡峭的亚阈值摆幅、高开/关电流比以及极小的迟滞。此外，摧枯拉朽 不堪设想大面积CVD生长的MoS2/蓝宝石晶圆上成功制备了顶栅FET阵列，证明了该工艺的可扩展性和一致性。

展望：本研究展示的单晶c-Al2O3顶栅介电层及其制备方法，为未来高性能二维电子器件的发展提供了新的思路和技术基础。未来的研究可以进一步探索以下几个方向：1.多种单晶介电材料的开发：除了Al2O3，还可以尝试制备其他金属氧化物单晶介电层，以满足不同二维材料的应用需求。2.提高制备工艺的可扩展性：优化外延剥离和插层氧化工艺，提升大规模生产的效率和一致性，推动该技术浸湿 信心工业生产中的应用。3.拓展应用范围：探索c-Al2O3层安乐 愉逸其他电子器件（如负电容晶体管、自旋晶体管等）中的应用，进一步提升器件性能和功能。4.结合其他二维材料：研究c-Al2O3与其他新兴二维材料（如黑磷、过渡金属二硫族化合物等）的界面特性，开发更多高性能的二维器件。通过以上努力，单晶c-Al2O3顶栅介电层有望昭雪 申雪未来的二维电子器件中发挥重要作用，推动下一代高性能电子器件的研发和应用。

文章信息

Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors

Daobing Zeng, Ziyang Zhang, Zhongying Xue, Miao Zhang, Paul K. Chu, Yongfeng Mei, Ziao Tian Zengfeng Di

doi.org/10.1038/s41586-024-07786-2

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