——二维晶体管中超薄高κ复合介电层的规模化集成
华中科技大学翟天佑教授、刘开朗副教授团队在二维晶体管介电层规模化通用集成方面取得重要进展，相关成果以“Scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors”为题，于2023年8月3日发表在《自然材料》期刊（Nature Materials, 2023, DOI: 10.1038/s41563-023-01626-w）。集成电路正朝着高密度、大规模和小型化的方向发展，要求其基本组成单元——场效应晶体管（FET）的尺寸不断减小的同时性能不断提高。过去的几十年里，硅基FET沿着摩尔定律不断微缩，已接近其物理极限。二维半导体具有原子级厚度以及优异的栅极调控特性，是构筑下一代FET的理想沟道材料。国际器件和系统路线图（IRDS）已计划于2028年将其用于未来芯片的制造。然而，二维FET中高质量栅极介电层的集成却面临着重大挑战。一方面，传统高κ介电材料（HfO2等）与二维半导体结构不兼容，且介电层在其表面难以均匀集成；另一方面，二维介电材料（hBN等）虽与二维半导体界面兼容却存在介电常数低、规模化集成难等问题。如何通过与半导体制造工艺兼容的方法在二维半导体上集成兼具高质量界面和高介电性质的介电层是二维FET走向实际应用面临的重大技术难题。本工作利用无机分子晶体Sb2O3作为缓冲层构筑复合介电层，在二维晶体管中实现了兼具高质量界面与高介电性质的HfO2/Sb2O3介电层的规模化集成，成功克服了二维半导体器件领域介电层集成这一共识性难题。得益于高质量介电层的集成，二维FET的性能获得全面提升，多项关键性能指标达到了最优。研究团队选用无机分子晶体Sb2O3作为范德华缓冲层，其以表面无悬挂键的笼状小分子为结构单元，在热蒸镀过程中分子发生升华，结构得以保持完整，从而与二维半导体形成无悬挂键的高质量界面。与此同时，Sb2O3的高亲水性可有效促进原子层沉积过程中前驱体的吸附以及高κ介电层的均匀沉积。利用无机分子晶体的以上特性，结合高κ介电材料优异的介电性质，即可构筑兼具高质量界面与高介电性能的复合介电层（图1）。该方法能在不同二维材料（石墨烯、MoS2等）表面实现超薄高κ介电层的均匀集成，并与二维半导体形成高质量界面，展现出极高的普适性；制备过程与半导体制造工艺完全兼容，易于实现规模化集成及工业化应用。图1. HfO2/Sb2O3复合介电层的制备及表征。基于HfO2/Sb2O3复合介电层的二维FET展现出优异的性能。介电层的等效氧化层厚度（EOT）可低至0.67 nm，为当前二维晶体管介电层的最低值。优异的界面质量降低了界面态密度，以MoS2为沟道的FET的亚阈值摆幅低至60 mV/dec，达到理论极限。晶体管阵列器件呈现出优异的均一性，满足二维晶体管规模化集成要求（图2）。
图2. 基于HfO2/Sb2O3复合介电层FET的性能表征。得益于超低的EOT与优异的界面质量，该晶体管在0.4 V的超低工作电压下即可获得超过106的开关比，实现了对IRDS所规划最先进硅基晶体管（3nm制程FinFET）的超越，是目前FET中最高栅极控制效率（图3）。
图3. 基于HfO2/Sb2O3复合介电层的FET与现有技术的对比。该研究攻克了二维晶体管中高质量介电层集成的难题，突破了长期以来制约二维晶体管发展的关键技术瓶颈，实现了二维晶体管中兼具高质量界面与高介电性质介电层的规模化通用集成，并研制了高性能、低功耗的二维FET。华中科技大学翟天佑教授和刘开朗副教授为论文共同通讯作者；博士生徐永善和刘腾为论文共同第一作者。本研究工作得到了国家自然科学基金（21825103、U21A2069、52202171）等项目资助。
通讯作者
翟天佑，华中科技大学教授，材料科学与工程学院副院长。
主要从事二维光电信息材料与器件方面的研究，在Nat. Mater. (1)、Nat. Electron. (2)、Nat. Commun. (6)、Sci. Adv. (1)、Adv. Mater. (44)、Adv. Funct. Mater. (56)、J. Am. Chem. Soc. (6)、Angew. Chem. Int. Ed. (16)、InfoMat (7)等期刊上发表SCI论文400余篇，所有论文SCI引用>33000次，H指数97，授权专利34项。入选英国材料、矿物与矿业学会会士（FIMMM，2022年）、英国皇家化学会会士（FRSC，2017年）、科睿唯安全球“高被引科学家”（2015，2018-2022年），是国家杰出青年科学基金（2018年）等资助对象，曾获国家自然科学二等奖（5/5，2014年）、湖北青年五四奖章（2019年）等奖励。兼任《InfoMat》和《InfoScience》期刊副主编。
通讯作者
主要从事新型半导体电子器件的设计与集成方面的研究，发表SCI论文40余篇，其中以第一/通讯（共同）作者在Nat. Mater.、Nat. Electron.、Adv. Mater.、Sci. Bull.等期刊上发表论文10篇, 引用1700余次，H指数21；申请专利6项，其中授权3项；主持基金委青基1项，参与联合基金重点项目2项。
第一作者
徐永善，华中科技大学材料科学与工程学院在读博士生。
第一作者
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