南京大学Nat. Nanotechnol.：面向二维材料逻辑电路和关联物态调控的新型超离子固态氟化物介电材料

南京大学Nat. Nanotechnol.：面向二维材料逻辑电路和关联物态调控的新型超离子固态氟化物介电材料

一、【科学背景】

用栅极介质控制固体中的电子态在凝聚态物理和实际器件应用中起着重要作用。基于传统氧化物介质的场效应晶体管的性能受电容耦合程度、漏电流或介电击穿场强的限制，与之相比，新型离子液体电双层调控技术最近发展成为一种通用的方法，可以在低工作电压下实现巨大的电容耦合以及大范围地调控材料表面的载流子浓度。用有机电解质进行的实验表明，在双电层界面上实现的大电容耦合符合器件应用的低压操作要求，并实现高密度载流子积累。然而，这些有机电解质通常与目前的半导体制造工艺不兼容，使得基于界面电双层效应的电介质难以集成到现代电子产品中。因此，开发具有高电容耦合、并且与传统半导体制造工艺相兼容的固态电双层介电材料，对于实现先进电子器件和大规模集成电路具有重要意义。

二、【创新成果】

基于上述挑战，近期南京大学袁洪涛教授、杨玉荣教授、清华大学薛其坤教授、斯坦福大学崔屹教授等团队开发出了以氟化镧为代表的超离子固态氟化物介电薄膜材料家族，其表现出介电常数大（~30）、电容耦合强（>20 μF cm⁻²）、击穿场强高（>100 MV cm⁻¹）和等效氧化层厚度薄（EOT ~0.15 nm）的优异性能，展示了其在大规模逻辑电路和量子材料关联物态调控中的卓越潜力。

具体来讲，研究人员选择了一系列RE-F₃化合物作为研究的介电材料，更重要的是，这些氟化物介电材料能够通过低成本的热蒸镀工艺制备成具有纳米级表面粗糙度的晶圆级高质量均匀薄膜，而且能够和二维材料形成原子级高质量的界面。氟化物介电材料中的高界面电容耦合以及与传统半导体工艺的兼容性使其有望成为先进电子器件中极具竞争力的候选介电材料。为了探究氟化物薄膜电介质的基本介电性能，研究人员进行了电化学阻抗谱（EIS）测量并获得了频率依赖的电容。氟化物薄膜在低频下的电双层电容能达到20 μF cm⁻²，与广泛使用的液态有机电解质的电双层电容值相当。由于稀土金属氟化物薄膜具有大的电容耦合和宽的带隙，因此表现出高介电常数（~30）和极低的漏电流密度(<10^-6A cm⁻²)。

图1氟化物的晶体结构、介电特性和氟离子迁移过程；© Springer Nature Limited 2024

随后，研究人员进一步通过集成n型MoS₂和p型WSe₂晶体管构建了基于氟化物电介质的CMOS反相器，该反相器具有优异性能，在预置电压为2.6 V时，该反相器的直流电压增益高达167，此外，该反相器还具有出色的耐噪音稳定性与高频快速响应性能，基于氟化物介电材料构建的二维逻辑电路器件甚至有望实现GHz以上的高频响应。这些氟化门控晶体管还可以进一步集成到逻辑电路中。

图2基于n型MoS₂和p型WSe₂晶体管的CMOS反相器；© Springer Nature Limited 2024

研究人员进一步探究了固态超离子氟化物电介质在调节量子材料中关联电子态方面的能力。基于高温超导体Bi₂Sr₂CaCu₂O8+δ（Bi-2212），研究人员构筑了氟化物门控的 Bi-2212 器件并调控了其高温超导电性。如图3所示，通过施加正向栅极电压引入电子掺杂，能够实现Bi-2212从超导态到绝缘态的连续转变。作者们测试了LaF₃/Bi-2212器件的高分辨扫描透射电子显微（STEM）图像。可以看到LaF₃/Bi-2212形成了高质量的原子级界面，这说明氟化物薄膜的蒸镀和后续的栅压调控过程并不会对Bi-2212材料造成损伤，证明了氟化物介电薄膜用于调控强关联材料的内在关联电子态的卓越能力。

图3氟化物门控Bi-2212器件中的超导-绝缘体转变；© Springer Nature Limited 2024

该研究结果为先进电子器件的大规模集成开发和各种关联电子现象的场效应调控提供了新的介电材料平台，并为相关机制的研究提供了参考，以“Superionic fluoride gate dielectrics with low diffusion barrier for two-dimensional electronics”为题发表在国际顶级期刊Nature nanotechnology上，引起了相关领域研究人员热议。

三、【科学启迪】

综上所述，研究人员在原子水平上阐明了具有极低能垒的一般F^-离子迁移机制，这可以作为寻找大电容耦合介电材料的一般指导。研究的氟化物栅介质材料不仅能够实现与传统半导体器件工艺高度兼容的低功耗、高增益逻辑门电路器件，而且可以实现高温超导体二维洁净极限下的栅控超导-绝缘体相变，体现了超离子固态氟化物介电薄膜材料在电子器件以及关联物态调控中的卓越能力。

文献链接：Superionic fluoride gate dielectrics with low diffusion barrier for two-dimensional electronics，2024，https://doi.org/10.1038/s41565-024-01675-5）

本文由LWB供稿。