Nat. Mater.！二维晶体管介电层集成研究取得重要进展

       随着现代半导体行业的发展，基于硅半导体的场效应晶体管（FET）的尺寸不断缩小，目前已经接近其物理极限。在新兴材料中，二维半导体可达到原子级厚度且保持高载流子迁移率，理论上可实现优异的栅极控制，因而被认为是用于下一代场效应晶体管的理想沟道材料。然而，由于二维半导体表面无悬挂键，很难在其表面集成高质量的介电层，这是目前该领域的重大难题。

       为解决上述问题，华中科技大学翟天佑团队以无机分子晶体Sb₂O₃作为缓冲层，发明了一种在二维材料表面集成超薄高k介电层的普适性方法。利用该缓冲层法制备的HfO₂/Sb₂O₃复合介电层可实现0.67 nm的等效氧化层厚度（EOT），是目前报道的二维晶体管介电层中Z低的。高质量的界面降低了界面态密度，由单层MoS₂沟道和HfO₂/Sb₂O₃复合介电层构成的FET在0.4 V的超低工作电压下即可获得超过10⁶的开关比，其栅极控制效率优于目前报道的其他所有FET。该项成果以“Scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors”为题发表于国际高水平期刊Nature Materials。

       Sb₂O₃缓冲层的作用机理如下：一方面，Sb₂O₃可与二维半导体间形成高质量的范德华界面；另一方面，Sb₂O₃覆盖了二维材料原有的疏水表面，提供了高度亲水的表面，提升了与传统原子层沉积（ALD）工艺的相容性，便于集成超薄高k介电层。图1a展示了在MoS₂二维半导体表面集成HfO₂/Sb₂O₃复合介电层的过程。作者利用热蒸镀法制备了Sb₂O₃缓冲层，随后使用美国Arradiance公司的GEMStar系列台式原子层沉积(ALD)系统制备了致密均匀的HfO₂层（图1b）。此外，作者还利用该台式ALD设备在MoS₂/Sb₂O₃上生长了常见介电层Al₂O₃和ZrO₂(图1c, 1d)，证明了该方法的普适性。

图1. （a）在MoS₂二维半导体表面集成HfO₂/Sb₂O₃复合介电层的过程,(b)-(c)样品的AFM图像。

       随后，作者用第一性原理计算研究了Sb₂O₃缓冲层对ALD过程的促进原理。如图2a-2b所示，H₂O分子在MoS₂表面的吸附距离为约3Å,在Sb₂O₃表面的吸附距离减小至约2Å，接近于水中氢键的长度。同时，H₂O分子在Sb₂O₃表面的吸附能大幅高于在MoS₂表面的吸附能（图2c）。上述结果表明Sb₂O₃缓冲层可促进ALD过程中的前驱体吸附，有助于介电层的生长。

图2. H₂O分子在(a)MoS₂和（b）Sb₂O₃表面的吸附构型，（c）H₂O分子在MoS₂和Sb₂O₃表面的吸附能。

       本文所使用的美国Arradiance公司的GEMStar系列台式原子层沉积系统如图3所示，在小巧的机身（78 * 56 * 28 cm）中集成了原子层沉积所需的所有功能，可容纳9片8英寸基片同时沉积。全系配备热壁，结合前驱体瓶加热，管路加热，横向喷头等设计，使温度均匀性高达99.9%，气流对温度影响减少到0.03%以下。高温度稳定度的设计不仅可在8英寸基体上实现厚度均匀的膜沉积（其厚度均匀性高于99%），而且适合对具有超高长径比孔径的3D结构进行均匀薄膜覆盖，在高达1500：1长径比微纳深孔内部也可均匀沉积。此外，该设备还具有节约前驱体原料，制备效率高，性价比高等优点。该设备已帮助国内外用户取得大量Nature、Science级别的研究成果。

图3. 美国Arradiance公司生产的GEMStar系列台式三维原子层沉积系统

参考文献：
[1]. Scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors. Nat. Mater., 2023, DOI:10.1038/s41563-023-01626-w