提出了一種利用超薄介質制作二維電子器件的新設計策略

二維半導體可以有非常有用的應用，特別是作為低功率晶體管的通道材料..這些材料在極端厚度下表現出很高的遷移率，這使得它們在制造電子產品時特別有希望替代硅。

盡管它們有優點，但迄今為止，在晶體管中實現這些材料已被證明是具有挑戰性的。事實上，二維半導體是一種懸空的無鍵性質；因此，眾所周知，通過原子層沉積（ALD）在材料上沉積超薄高κ柵介電（即具有介電性能或絕緣體）是很困難的，通常會導致不連續的薄膜。

中國南京大學的研究人員最近提出了一種新的策略來克服這一限制，最終允許在二維半導體上沉積柵極介質。在《自然電子》（Nature Electronics）上發表的一篇論文中，他們報道了利用分子晶體作為種子層在二維半導體上成功地制備了高κ柵介質。

開展這項研究的研究人員之一王欣然告訴TechXplore說：“我們的研究試圖解決二維晶體管的高質量柵極介質集成問題。“在最先進的硅晶體管中，有效氧化物厚度（EOT）被縮小到亞-1納米。目前，二維材料與Si在EOT、界面狀態密度（Dit）和柵極泄漏方面存在較大的差距。如果要認真推進二維晶體管技術，就必須克服這一差距。”

王和他的同事引入的方法可以在石墨烯、二硫化鉬（MoS2）和二硒化鎢（WSe2）上生產等效氧化物厚度為1nm的介質。研究人員的方法產生的電介質顯示出與使用更傳統的方法生產的電介質相比，粗糙度、界面態密度和泄漏減少。有趣的是，它們還提供了一個改進的擊穿場。

除了二維晶體管，我的研究小組探索的另一個方向是有機電子學。“過去幾年，我們發展了精確控制二維材料表面分子組裝的手段。對于許多分子，包括PT CDA，我們證明我們可以很好地控制生長，只有單層（~0.3n m）均勻沉積，具有非常干凈的界面。

王和他的研究團隊在以前的工作中創建的界面層是目前最薄的界面層之一。在本研究中，他們利用這一層制作了工作在60GHz的石墨烯射頻晶體管，以及MoS2和WSe2互補金屬氧化物半導體晶體管，其電源電壓為0.8V，亞閾值波動為60mVdec-1。最后，他們還利用他們的技術創建了通道長度為20nm的MoS2晶體管，其開關比超過107。

“我認為我們最有意義的結果是我們能夠在二維材料中實現1nm的EOT，”王說。“人們普遍認為，與體積半導體相比，二維通道可以降低晶體管的功耗。然而，為了實現這一點，我們必須使用相同的操作電壓，晶體管可以急劇關閉（亞閾值擺動接近60mV/dec）。這兩個數量在很大程度上取決于柵極介質的質量和厚度。我們的研究真實地證明了二維半導體對低功耗電子產品的潛力。

王和他的研究小組是第一個成功地開發了具有1nmEOT的二維晶體管，成功地在三種不同的材料上對介質進行了去電。值得注意的是，他們獲得的EOT和柵極泄漏與在最先進的硅CMOS中觀察到的相當，這是在這一研究領域向前邁出的重要一步。

“我認為還有很大的改進空間，”王思潮說。例如，二維晶體管中的Dit仍然比SiCMOS高2個數量級。此外，使用更高的k氧化物進一步將EOT降低到0.8nm是很好的。最后，我們開發的材料與現有CMOS工藝的兼容性也有待研究。