鈣鈦礦膜再次登上Nature：作為二維晶體管的絕緣體

【導讀】

?對于硅 (Si) 金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 中的亞10納米技術節點，亞納米電容等效厚度(CET)和與溝道的完美界面對于柵極電介質保持柵極至關重要可控性。同樣，人們熱切期待開發出適用于未來節點的二維(2D) MOSFET的可靠高介電常數(κ)材料 (CET < 1 nm)。Si技術中常用的高κ電介質（即氧化鋁 (Al₂O₃) 和氧化鉿 (HfO₂)）已與二維過渡金屬二硫屬化物材料集成在一起。然而，它們的無定形性質和不完美的電介質/過渡金屬二硫屬化物界面使得消除電荷散射和陷阱變得困難，此外，電介質沉積工藝會直接損壞二維通道。而鈣鈦礦鍶鈦氧化物(SrTiO₃) 表現出高靜態介電常數（在室溫下，ε_bulk?≈?300 ），這使其成為在復合氧化物異質界面處靜電調制硅、石墨烯或二維電子氣的潛在柵極電介質。此外，合成單晶獨立式鈣鈦礦氧化物膜的最新進展已經建立了一條可行的途徑，將超高κ結晶SrTiO₃薄膜與二維半導體集成以形成高質量的介電/通道界面，以克服目前柵極控制的限制。

【成果掠影】

近日，香港大學Lain-Jong Li教授團隊聯合澳大利亞新南威爾士大學Sean Li教授團隊探索可轉移的超高κ單晶鈣鈦礦鍶鈦氧化物膜作為二維場效應晶體管的柵極電介質。所制造的鈣鈦礦膜表現出理想的亞一納米級CET，具有低漏電流（在2.5兆伏/厘米時小于10^-2?安培/平方厘米）。研究發現，鍶鈦氧化物電介質和二維半導體之間的范德華間隙減輕了由于使用超高κ電介質而導致的不利邊緣誘導的勢壘降低效應。由化學氣相沉積和氧化鍶鈦電介質制成的可擴展二硫化鉬薄膜的典型短溝道晶體管表現出陡峭的亞閾值擺幅低至每十倍頻約 70 毫伏，開/關電流比高達10⁷，符合最新的《國際設備和系統路線圖》建議的低功耗規格。具體的成果以“High-κ?perovskite membranes as insulators for two-dimensional transistors”為題發布在Nature。

【數據概況】

圖 1：獨立式單晶 SrTiO?₃層的制備和表征。

圖 2：單晶 SrTiO?₃膜的介電性能。

圖 3：具有超高κ?SrTiO?₃電介質的局部背柵 MoS_?2?FET 。

圖 4：基于超高κ?SrTiO?₃電介質的短溝道 MoS?₂?FET的靜電學。

【成果啟示】

簡而言之，二維半導體的晶體表面和定義明確的vdW界面展示了未來晶體管技術的擴展潛力。鈣鈦礦膜的彈性和纖薄特性也使得使用MoS₂作為晶體管通道的柔性和透明電子器件成為可能。同時，考慮到鈣鈦礦氧化物領域已經建立的精細控制和可擴展的生長技術，將功能性鈣鈦礦氧化物膜與2D材料自由集成的能力為單片3D集成的層壓組裝提供了途徑。

參考文獻：Huang, JK., Wan, Y., Shi, J.?et al.?High-κ?perovskite membranes as insulators for two-dimensional transistors.?Nature?605,?262–267 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04588-2