来历：原子创意
研究配景最近几年来，跟着硅场效应晶体管（FETs）于缩放方面靠近其基本极限，新一代半导体通道质料的需求变患上尤为火急。二维质料（2D）如二硫化钼（MoS2），因其原子级薄厚度及高载流子迁徙率，显示出于将来晶体管中的巨年夜潜力。然而，只管2D质料具有优胜的物理及电学特征，合用在它们的高质量介电质料仍旧稀缺。这使患上基在2D质料的FETs没法实现其理论猜测的全数潜力。今朝，运用在硅技能的非晶氧化物介电质料（如SiO二、Al2O3及HfO2）没法与2D质料形成匀称且界面明确的联合，致使界面状况密度高、介电强度低等问题。
当前问题
非晶氧化物介电质料因其长程有序性被粉碎，难以提供与2D质料的优良界面，致使（1）高的栅泄电流（J 1.5×10−2 A cm−2），（2）高的界面态密度（Dit 1010 cm−2 eV−1），以和（3）低的介电强度（Ebd 10 MV cm−1），这些特征没法满意国际器件与体系线路图（IRDS）的要求。此外，2D质料外貌无吊挂键，沉积原子级薄氧化物而不粉碎相邻层仍具挑战性。比拟之下，晶体介电质料如六方氮化硼（hBN）、氟化钙（CaF2）及钛酸锶（SrTiO3）虽然可以或许与2D质料形成更平滑的界面，但它们的窄带隙及低介电常数使其于现实运用中面对诸多限定。
新的思绪本研究展示了经由过程外延剥离及插层氧化技能，制备出原子级薄、单晶布局的Al2O3（c-Al2O3），作为高质量的顶栅介电层用在2D场效应晶体管（FETs）。该要领于室温下形成不变、化学计量比明确的原子级薄c-Al2O3层，厚度为1.25 nm。患上益在有益的晶体布局及明确的界面，该c-Al2O3层的栅泄电流、界面态密度及介电强度均切合IRDS的要求。经由过程一次性转移工艺，将包括源极、漏极、介电质料及栅极于内的完备FET布局转移到MoS2通道上，制备召盘栅MoS2 FETs。这些FETs展示出陡峭的亚阈值摆幅（61 mV dec−1）、高开/关电流比（108）以和很是小的迟滞（10 mV），注解该技能及质料于出产高质量单晶氧化物并将其集成到彻底可扩大的进步前辈2D FETs（包括负电容晶体管及自旋晶体管）中的可行性。
研究内容
本研究提出了一种立异的要领，经由过程外延剥离及插层氧化技能，制备出原子级薄的单晶Al2O3（c-Al2O3），作为高质量的顶栅介电层运用在二维场效应晶体管（FETs）。研究内容重要包括如下几个方面：
1. c-Al2O3的制备:使用范德华外延技能，于石墨烯/锗（Gr/Ge）衬底上经由过程电子束蒸发沉积单晶铝膜，然后于0.2 ppm氧气情况中举行插层氧化，形成厚度为1.25 nm的原子级薄c-Al2O3层。此要领于室温下便可实现，无需繁杂的化学工艺及装备。
2. c-Al2O3层的特征:经由过程高分辩率透射电子显微镜（HR-TEM）及X射线衍射（XRD）阐发，确认了c-Al2O3层的单晶布局和其于铝外貌上的匀称笼罩。成果显示，c-Al2O3层具备优良的晶体布局及界面，具有低栅泄电流（J 1×10-6 A cm-2）、低界面态密度（Dit = 8.4×109 cm-2 eV-1）及高介电强度（Ebd = 17.4 MV cm-1），均满意IRDS对于低功耗器件的要求。
3. FET器件的制备与机能:采用范德华转移法，将包括源极、漏极、介电质料及栅极于内的完备FET布局一次性转移到MoS2通道上，制备召盘栅MoS2 FETs。这些器件展示出陡峭的亚阈值摆幅（61 mV dec-1）、高开/关电流比（108）以和很是小的迟滞（10 mV）。经由过程批量制备100个器件，证实了此工艺的可反复性及匀称性。
4.年夜面积FET阵列的运用:于4英寸CVD生长的MoS2/蓝宝石晶圆上，乐成制备了年夜面积顶栅FET阵列，显示出优秀的电学机能及一致性。70%的器件于亚阈值摆幅为75-175 mV dec-1，开/关电流比高在106。这些成果注解，经由过程此要领制备的c-Al2O3层于年夜范围出产中具有显著上风。
图文解读
【Fig. 1c-Al2O3的制备及表征】
a.经由过程外延剥离及插层氧化技能制备原子级薄的单晶Al2O3（c-Al2O3）。b.从4英寸Gr/Ge晶圆上剥离Al/c-Al2O3的光学图象。c.方针SiO2衬底上Al/c-Al2O3的横截面高分辩率透射电子显微镜（HR-TEM）图象。d. c图中红框部门的放年夜原子分辩率图象。e. Al/c-Al2O3/SiO2的电子能量丧失（EEL）映照。f.于氧气缺少情况（0.2 ppm O2）中暴光时间与c-Al2O3厚度的瓜葛。插图：经由过程1小时氧化及5小时氧化得到的2 nm及6 nm厚度c-Al2O3的横截面HR-TEM图象。g. c-Al2O3及a-Al2O3的击穿场。h.各类介电质料的膜厚与击穿场的比力。比例尺：2 nm（c）；1 nm（d, e）。
【Fig. 2Al/c-Al2O3栅极的特征】
a. Al/c-Al2O3/MoS2异质布局的示用意（左）、横截面高分辩率透射电子显微镜（HR-TEM）图象（中）及放年夜原子分辩率图象（右）。b.从a中绿色、橙色及蓝色虚线框得到的选区电子衍射图（上）。a中绿色、橙色及蓝色虚线的三木SEO-线强度漫衍图（下）。c. a-Al2O3/MoS2的HR-TEM图象（左）及主要的隧穿孝敬（右）。d. c-AAl2O3/MoS2的HR-TEM图象（左）及主要的隧穿孝敬（右）。e.利用c-Al2O3及a-Al2O3作为介电层的二维FET的试验栅泄电流。f.电流与栅极电压的瓜葛。VTG，顶栅电压；VBG，违栅电压。g.等效氧化层厚度（EOT）与介电厚度的瓜葛。h.于尺度操作栅极电压1V下丈量的试验栅泄电流与EOT的比力。i.噪声功率谱随频率的变化。j.丈量的Si器件及差别二维技能的Dit值比力。比例尺：5 nm（a，底排，中）；2 nm（a，底排，右）；2 nm（c，d）。TAT，陷阱辅助隧穿。
【Fig. 3c-Al2O3/MoS2 FET的制备与电学特征】
a.自瞄准c-Al2O3/MoS2 FET的制备历程。b.自瞄准MoS2 FET阵列的扫描电子显微镜（SEM）图象。c.带有小气隙的自瞄准MoS2 FET的放年夜SEM图象。d.自瞄准MoS2 FET的横截面透射电子显微镜（TEM）图象。e,f.短通道三层MoS2 FET的输出特征（e）及传输特征（f）。g,h.长通道三层MoS2 FET的输出特征（g）及传输特征（h）。i.双扫描传输曲线。j.利用各类介电质料的MoS2 FET的试验亚阈值摆幅（SS）与开/关电流比（Ion/Ioff）的瓜葛。比例尺：10μm（b）；200 nm（c）；100 nm（d）。
【Fig. 4于4英寸CVD-MoS2/蓝宝石晶圆上批量制备的c-Al2O3/MoS2 FETs】
a.具备顶栅FET阵列的4英寸CVD-MoS2/蓝宝石晶圆的照片。b. a中红框区域的放年夜光学图象。c. b中红框区域的放年夜光学图象。d. c-Al2O3/MoS2 FETs的典型输出曲线。e. 100个MoS2 FETs的传输曲线。f. 100个器件的开/关电流比及亚阈值摆幅（SS）的统计漫衍。比例尺：200μm（b）；50μm（c）。
总结瞻望
总结：本研究经由过程立异的外延剥离及插层氧化技能，乐成制备了原子级薄的单晶Al2O3（c-Al2O3），并将其运用在二维场效应晶体管（FETs）的顶栅介电层。研究成果注解，c-Al2O3层具备优秀的电学机能，包括低栅泄电流、低界面态密度及高介电强度，均满意国际器件与体系线路图（IRDS）对于低功耗器件的要求。经由过程一次性转移工艺，实现了高质量MoS2 FETs的制备，展示出陡峭的亚阈值摆幅、高开/关电流比以和极小的迟滞。此外，于年夜面积CVD生长的MoS2/蓝宝石晶圆上乐成制备了顶栅FET阵列，证实了该工艺的可扩大性及一致性。
瞻望：本研究展示的单晶c-Al2O3顶栅介电层和其制备要领，为将来高机能二维电子器件的成长提供了新的思绪及技能基础。将来的研究可以进一步摸索如下几个标的目的：1.多种单晶介电质料的开发：除了了Al2O3，还有可以测验考试制备其他金属氧化物单晶介电层，以满意差别二维质料的运用需求。2.提高制备工艺的可扩大性：优化外延剥离及插层氧化工艺，晋升年夜范围出产的效率及一致性，鞭策该技能于工业出产中的运用。3.拓展运用规模：摸索c-Al2O3层于其他电子器件（如负电容晶体管、自旋晶体管等）中的运用，进一步晋升器件机能及功效。4.联合其他二维质料：研究c-Al2O3与其他新兴二维质料（如黑磷、过渡金属二硫族化合物等）的界面特征，开发更多高机能的二维器件。经由过程以上努力，单晶c-Al2O3顶栅介电层有望于将来的二维电子器件中阐扬主要作用，鞭策下一代高机能电子器件的研发及运用。
文章信息
Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors
Daobing Zeng, Ziyang Zhang, Zhongying Xue, Miao Zhang, Paul K. Chu, Yongfeng Mei, Ziao Tian Zengfeng Di
doi.org/10.1038/s41586-024-07786-2
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