中国科学家研究将亚0.5nm电介质与2D半导体成功集成

中国科学家是克服半导体芯片技术难关的中流砥柱

场效应晶体管(FET)是晶体管的一种，其中大部分电流的电阻可以由横向电场控制。在过去十年左右的时间里，这些器件被证明是控制半导体中电流流动的非常有价值的解决方案。

为了进一步发展FET，世界各地的电子工程师最近都在试图缩小FET的尺寸。虽然这些降尺度的努力已经被发现可以提高器件的速度和降低功耗，但它们也与短通道效应(即，当场效应管的通道长度大约等于其衬底内源极和漏极结的空间电荷区域时发生的不利效应)有关。

通过使用具有高载流子迁移率的2D半导体通道和超薄高k介质(即具有高介电常数的材料)，可以抑制这些不良影响，包括势垒降低和速度饱和。将二维半导体与氧化物厚度相近的介质集成是非常具有挑战性的。

北京大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员最近成功地将0.5nm以下的电介质层与2D半导体晶体管集成在一起。他们的设计在《自然电子》杂志上发表的一篇论文中进行了介绍，最终可能为开发更小、更快、更高效的FET晶体管铺平道路。

该研究的研究人员之一、北京大学化学与分子工程学院教授彭海琳告诉TechXplore，之前他和同事们已经合成了2D Bi2O2Se的多晶高κ(介电常数)原生氧化物介电介质，并发现其等效氧化物厚度(EOT)可以缩小到0.9 nm，但泄漏电流超过了低功率限制，受二维Bi2O2Se分层晶体结构和二维材料插层的启发，我们设计了一种插层氧化过程，以保留前驱体的晶格框架，以获得具有更好绝缘性的单晶原生氧化物，以进一步降尺度。”

为了将他们的介电介质与二维半导体集成，彭和他的同事们使用了一种叫做紫外线辅助插层氧化的过程。首先，他们利用低压汞灯发出的185纳米紫外线(UV)，将空气中的氧分子分解为原子氧。

随后，他们使用原子氧氧化二维半导体Bi2O2Se中两个[Bi2O2]n2n+层之间的Se2-层，而不影响[Bi2O2]n2n+层的性能。这一过程导致了新的“层状相”的形成，它继承了原始Bi2O2Se样品的单晶[Bi2O2]n2n+结构。

彭解释说:合成的氧化物进一步证实是一种单晶原生介电介质，被命名为β-Bi2SeO5。单晶原生氧化物β-Bi2SeO5具有约22的厚度无关的高介电常数、超拉晶格匹配界面和优异的绝缘性。即使缩小到2.3 nm, EOT(等效氧化物厚度，3.9×thickness/介电常数)低至0.41 nm, 1 V栅极电压下的泄漏电流仍低于低功率极限(0.015 A/cm2)，满足下一代晶体管的介电工业要求。”

彭和他的同事进行的初步测试得出了有趣的结果。总之，他们的研究结果表明，他们所创造的β-Bi2SeO5材料有望在2D晶体管中开发超薄的高-κ(介电常数)栅介质。

彭说:“我们的研究最显著的成就是成功地将sub-0.5 nm- eot电介质集成到顶门2D晶体管中，这符合2021年国际设备和系统路线图中的电介质基准。因此，二维电子学的挑战之一，即与低于0.5 nm- eot的超薄高-κ介电介质的集成，已经被克服了。”

这组研究人员展示了将二维半导体与高k介质集成的可能性。在未来，他们发明的材料和论文中介绍的方法可以用来制造更小、高性能的fet，而不受短通道效应的不利影响。

彭补充说：我们现在将进一步研究β-Bi2SeO5与其他常见2D材料和金属电极的相容性，此外，Bi2SeO5或其前驱体Bi2O2Se的大规模转移过程也被要求用于这种超薄的高κ介电介质与广泛的2D材料的集成。”

曾获得过美国斯坦福大学材料科学与工程系博士后学位的彭海琳，是北京大学化学与分子工程学院教授、副院长、博士生导师，兼任北京石墨烯研究院副院长、中国化学会纳米化学专业委员会委员。他在世界权威科技刊物《Science》、《Nature》和其他专业机构发表了论文200余篇，在国际上被引用20000多次。