南京大學Nat. Nanotechnol.：面向二維材料邏輯電路和關聯物態調控的新型超離子固態氟化物介電材料

南京大學Nat. Nanotechnol.：面向二維材料邏輯電路和關聯物態調控的新型超離子固態氟化物介電材料

一、【科學背景】

用柵極介質控制固體中的電子態在凝聚態物理和實際器件應用中起著重要作用。基于傳統氧化物介質的場效應晶體管的性能受電容耦合程度、漏電流或介電擊穿場強的限制，與之相比，新型離子液體電雙層調控技術最近發展成為一種通用的方法，可以在低工作電壓下實現巨大的電容耦合以及大范圍地調控材料表面的載流子濃度。用有機電解質進行的實驗表明，在雙電層界面上實現的大電容耦合符合器件應用的低壓操作要求，并實現高密度載流子積累。然而，這些有機電解質通常與目前的半導體制造工藝不兼容，使得基于界面電雙層效應的電介質難以集成到現代電子產品中。因此，開發具有高電容耦合、并且與傳統半導體制造工藝相兼容的固態電雙層介電材料，對于實現先進電子器件和大規模集成電路具有重要意義。

二、【創新成果】

基于上述挑戰，近期南京大學袁洪濤教授、楊玉榮教授、清華大學薛其坤教授、斯坦福大學崔屹教授等團隊開發出了以氟化鑭為代表的超離子固態氟化物介電薄膜材料家族，其表現出介電常數大（~30）、電容耦合強（>20 μF cm^?2）、擊穿場強高（>100 MV cm^?1）和等效氧化層厚度薄（EOT ~0.15 nm）的優異性能，展示了其在大規模邏輯電路和量子材料關聯物態調控中的卓越潛力。

具體來講，研究人員選擇了一系列RE-F₃化合物作為研究的介電材料，更重要的是，這些氟化物介電材料能夠通過低成本的熱蒸鍍工藝制備成具有納米級表面粗糙度的晶圓級高質量均勻薄膜，而且能夠和二維材料形成原子級高質量的界面。氟化物介電材料中的高界面電容耦合以及與傳統半導體工藝的兼容性使其有望成為先進電子器件中極具競爭力的候選介電材料。為了探究氟化物薄膜電介質的基本介電性能，研究人員進行了電化學阻抗譜（EIS）測量并獲得了頻率依賴的電容。氟化物薄膜在低頻下的電雙層電容能達到20 μF cm^?2，與廣泛使用的液態有機電解質的電雙層電容值相當。由于稀土金屬氟化物薄膜具有大的電容耦合和寬的帶隙，因此表現出高介電常數（~30）和極低的漏電流密度(<10^-6 A cm^?2)。

圖1 氟化物的晶體結構、介電特性和氟離子遷移過程；? Springer Nature Limited 2024

隨后，研究人員進一步通過集成n型MoS₂和p型WSe₂晶體管構建了基于氟化物電介質的CMOS反相器，該反相器具有優異性能，在預置電壓為2.6 V時，該反相器的直流電壓增益高達167，此外，該反相器還具有出色的耐噪音穩定性與高頻快速響應性能，基于氟化物介電材料構建的二維邏輯電路器件甚至有望實現GHz以上的高頻響應。這些氟化門控晶體管還可以進一步集成到邏輯電路中。

圖2 基于n型MoS₂和p型WSe₂晶體管的CMOS反相器；? Springer Nature Limited 2024

研究人員進一步探究了固態超離子氟化物電介質在調節量子材料中關聯電子態方面的能力。基于高溫超導體Bi₂Sr₂CaCu₂O8+δ（Bi-2212），研究人員構筑了氟化物門控的 Bi-2212 器件并調控了其高溫超導電性。如圖3所示，通過施加正向柵極電壓引入電子摻雜，能夠實現Bi-2212從超導態到絕緣態的連續轉變。作者們測試了LaF₃/Bi-2212器件的高分辨掃描透射電子顯微（STEM）圖像。可以看到LaF₃/Bi-2212形成了高質量的原子級界面，這說明氟化物薄膜的蒸鍍和后續的柵壓調控過程并不會對Bi-2212材料造成損傷，證明了氟化物介電薄膜用于調控強關聯材料的內在關聯電子態的卓越能力。

圖3 氟化物門控Bi-2212器件中的超導-絕緣體轉變；? Springer Nature Limited 2024

該研究結果為先進電子器件的大規模集成開發和各種關聯電子現象的場效應調控提供了新的介電材料平臺，并為相關機制的研究提供了參考，以“Superionic fluoride gate dielectrics with low diffusion barrier for two-dimensional electronics”為題發表在國際頂級期刊Nature nanotechnology上，引起了相關領域研究人員熱議。

三、【科學啟迪】

綜上所述，研究人員在原子水平上闡明了具有極低能壘的一般F^-離子遷移機制，這可以作為尋找大電容耦合介電材料的一般指導。研究的氟化物柵介質材料不僅能夠實現與傳統半導體器件工藝高度兼容的低功耗、高增益邏輯門電路器件，而且可以實現高溫超導體二維潔凈極限下的柵控超導-絕緣體相變，體現了超離子固態氟化物介電薄膜材料在電子器件以及關聯物態調控中的卓越能力。

文獻鏈接：Superionic fluoride gate dielectrics with low diffusion barrier for two-dimensional electronics，2024，https://doi.org/10.1038/s41565-024-01675-5）

本文由LWB供稿。