上海微系統所Nature：藍寶石助力開發高效2D FET

一、【科學背景】

隨著電子設備不斷小型化和性能要求的提升，芯片中的晶體管數量持續增加，尺寸也日益縮小。然而，晶體管尺寸的縮小同時帶來了新的技術挑戰—當硅基晶體管溝道厚度接近納米尺度，特別是小于幾納米時，晶體管的性能就會顯著下降。二維（2D）材料中，MoS₂具有原子級厚度和高載流子遷移率，因此已被研究為未來晶體管的候選材料。然而，由于缺乏合適的高質量電介質，盡管二維場效應晶體管（FET）具有優越的物理和電氣特性，但缺少與之匹配的高質量柵介質材料，導致二維晶體管實際性能與理論存在較大差異。

二、【創新成果】

基于以上難題，中國科學院上海微系統與信息技術研究所狄增峰研究員和田子傲合作，在Nature發表了題為“Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors”的論文，展示了一種原子級薄單晶Al₂O₃（c-Al₂O₃）的制造工藝，它可作為2D FET的高質量頂柵極電介質。通過使用插層氧化技術，在室溫下在單晶鋁表面上形成了一層1.25 nm厚的穩定、化學計量和原子級薄的藍寶石層（c-Al₂O₃）。不同于傳統無序的氧化鋁，藍寶石的單晶結構帶來了更高的電子遷移率和更低的電流泄漏率。由于良好的晶體結構和清晰的界面，c-Al₂O₃的柵漏電流、界面態密度和介電強度均符合國際元件及系統技術藍圖（IRDS）的要求。通過由源極、漏極、介質材料和柵極組成的一步轉移工藝，研究人員實現了頂柵MoS₂ FET，其特點是61 mV dec^-1的亞閾值擺幅、10⁸的高電流開關比和10 mV的極小滯后。這種技術和材料證明了生產高質量單晶氧化物的可能性，適合集成到完全可擴展的先進二維場效應晶體管中，包括負電容晶體管和自旋晶體管。

為了解決相關技術難題，研究人員開發了一種創新的金屬插層氧化技術。這項技術的核心在于能在室溫下，精準操控氧原子逐層嵌入鋁的晶格中，形成有序的單晶氧化鋁介質材料——藍寶石。這種材料在微觀層面上的有序排列，確保了電子在傳輸過程中的穩定性，使得即使在僅有1納米的厚度下，依然能夠有效阻止電流的泄漏，從而顯著提高了芯片的能效。

圖1 ?c-Al₂O₃的制備和表征 ? 2024 Springer Nature

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圖2 ?Al/c-Al₂O₃柵極的性能 ? 2024 Springer Nature

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圖3 ?c-Al₂O₃/MoS₂ FET的制備工藝及電子特性 ? 2024 Springer Nature

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圖4 ?場效應管陣列的制備 ? 2024 Springer Nature

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三、【科學啟迪】

綜上，研究人員制造了單晶Al₂O₃，并將其制作為頂柵二維晶體管的高質量介電層。通過結合外延剝離和插層氧化，制備了厚度為1.25nm的原子薄c-Al2O3，其柵極漏電流（J < 1×10^-6A cm^-2）、界面態密度（D_it = 8.4×10⁹ cm^-2 eV^-1）和介電強度（E_bd = 17.4 MV cm^-1）可以滿足低功率器件的IRDS要求。通過使用范德華（vdW）轉移方法，整個FET堆疊，包括源極、漏極、電介質和柵極，可以在一步過程中轉移到MoS₂溝道，以生產具有優異接觸和電介質界面的2D FET。

這一突破將為進一步提高單晶氧化物的多樣性、可擴展性和可制造性奠定基礎，促進二維半導體從實驗室到工業環境的無縫過渡。晶圓級單晶鋁和氧化鋁的生長方法可以進一步擴展到其他金屬，一些以前無法實現的單晶氧化物也可以合成用于各種應用。通過構建復雜的二維集成電路，特別是在成熟的Si-CMOS平臺上實現異質集成，可以充分釋放二維材料的巨大潛力，為下一代高性能電子器件奠定基礎。

原文詳情：Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors (Science 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07786-2)

本文由大兵哥供稿。