中國科學家研究將亞0.5nm電介質與2D半導體成功集成

中國科學家是克服半導體芯片技術難關的中流砥柱

場效應晶體管(FET)是晶體管的一種，其中大部分電流的電阻可以由橫向電場控製。在過去十年左右的時間裏，這些器件被證明是控製半導體中電流流動的非常有價值的解決方案。

為了進一步發展FET，世界各地的電子工程師最近都在試圖縮小FET的尺寸。雖然這些降尺度的努力已經被發現可以提高器件的速度和降低功耗，但它們也與短通道效應(即，當場效應管的通道長度大約等於其襯底內源極和漏極結的空間電荷區域時發生的不利效應)有關。

通過使用具有高載流子遷移率的2D半導體通道和超薄高k介質(即具有高介電常數的材料)，可以抑製這些不良影響，包括勢壘降低和速度飽和。將二維半導體與氧化物厚度相近的介質集成是非常具有挑戰性的。

北京大學和德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員最近成功地將0.5nm以下的電介質層與2D半導體晶體管集成在一起。他們的設計在《自然電子》雜誌上發表的一篇論文中進行了介紹，最終可能為開發更小、更快、更高效的FET晶體管鋪平道路。

該研究的研究人員之一、北京大學化學與分子工程學院教授彭海琳告訴TechXplore，之前他和同事們已經合成了2D Bi2O2Se的多晶高κ(介電常數)原生氧化物介電介質，並發現其等效氧化物厚度(EOT)可以縮小到0.9 nm，但泄漏電流超過了低功率限製，受二維Bi2O2Se分層晶體結構和二維材料插層的啟發，我們設計了一種插層氧化過程，以保留前驅體的晶格框架，以獲得具有更好絕緣性的單晶原生氧化物，以進一步降尺度。”

為了將他們的介電介質與二維半導體集成，彭和他的同事們使用了一種叫做紫外線輔助插層氧化的過程。首先，他們利用低壓汞燈發出的185納米紫外線(UV)，將空氣中的氧分子分解為原子氧。

隨後，他們使用原子氧氧化二維半導體Bi2O2Se中兩個[Bi2O2]n2n+層之間的Se2-層，而不影響[Bi2O2]n2n+層的性能。這一過程導致了新的“層狀相”的形成，它繼承了原始Bi2O2Se樣品的單晶[Bi2O2]n2n+結構。

彭解釋說:合成的氧化物進一步證實是一種單晶原生介電介質，被命名為β-Bi2SeO5。單晶原生氧化物β-Bi2SeO5具有約22的厚度無關的高介電常數、超拉晶格匹配界麵和優異的絕緣性。即使縮小到2.3 nm, EOT(等效氧化物厚度，3.9×thickness/介電常數)低至0.41 nm, 1 V柵極電壓下的泄漏電流仍低於低功率極限(0.015 A/cm2)，滿足下一代晶體管的介電工業要求。”

彭和他的同事進行的初步測試得出了有趣的結果。總之，他們的研究結果表明，他們所創造的β-Bi2SeO5材料有望在2D晶體管中開發超薄的高-κ(介電常數)柵介質。

彭說:“我們的研究最顯著的成就是成功地將sub-0.5 nm- eot電介質集成到頂門2D晶體管中，這符合2021年國際設備和係統路線圖中的電介質基準。因此，二維電子學的挑戰之一，即與低於0.5 nm- eot的超薄高-κ介電介質的集成，已經被克服了。”

這組研究人員展示了將二維半導體與高k介質集成的可能性。在未來，他們發明的材料和論文中介紹的方法可以用來製造更小、高性能的fet，而不受短通道效應的不利影響。

彭補充說：我們現在將進一步研究β-Bi2SeO5與其他常見2D材料和金屬電極的相容性，此外，Bi2SeO5或其前驅體Bi2O2Se的大規模轉移過程也被要求用於這種超薄的高κ介電介質與廣泛的2D材料的集成。”

曾獲得過美國斯坦福大學材料科學與工程係博士後學位的彭海琳，是北京大學化學與分子工程學院教授、副院長、博士生導師，兼任北京石墨烯研究院副院長、中國化學會納米化學專業委員會委員。他在世界權威科技刊物《Science》、《Nature》和其他專業機構發表了論文200餘篇，在國際上被引用20000多次。