上海微系统所Nature：蓝宝石助力开发高效2D FET

一、【科学背景】

随着电子设备不断小型化和性能要求的提升，芯片中的晶体管数量持续增加，尺寸也日益缩小。然而，晶体管尺寸的缩小同时带来了新的技术挑战—当硅基晶体管沟道厚度接近纳米尺度，特别是小于几纳米时，晶体管的性能就会显著下降。二维（2D）材料中，MoS₂具有原子级厚度和高载流子迁移率，因此已被研究为未来晶体管的候选材料。然而，由于缺乏合适的高质量电介质，尽管二维场效应晶体管（FET）具有优越的物理和电气特性，但缺少与之匹配的高质量栅介质材料，导致二维晶体管实际性能与理论存在较大差异。

二、【创新成果】

基于以上难题，中国科学院上海微系统与信息技术研究所狄增峰研究员和田子傲合作，在Nature发表了题为“Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors”的论文，展示了一种原子级薄单晶Al₂O₃（c-Al₂O₃）的制造工艺，它可作为2D FET的高质量顶栅极电介质。通过使用插层氧化技术，在室温下在单晶铝表面上形成了一层1.25 nm厚的稳定、化学计量和原子级薄的蓝宝石层（c-Al₂O₃）。不同于传统无序的氧化铝，蓝宝石的单晶结构带来了更高的电子迁移率和更低的电流泄漏率。由于良好的晶体结构和清晰的界面，c-Al₂O₃的栅漏电流、界面态密度和介电强度均符合国际元件及系统技术蓝图（IRDS）的要求。通过由源极、漏极、介质材料和栅极组成的一步转移工艺，研究人员实现了顶栅MoS₂FET，其特点是61 mV dec^-1的亚阈值摆幅、10⁸的高电流开关比和10 mV的极小滞后。这种技术和材料证明了生产高质量单晶氧化物的可能性，适合集成到完全可扩展的先进二维场效应晶体管中，包括负电容晶体管和自旋晶体管。

为了解决相关技术难题，研究人员开发了一种创新的金属插层氧化技术。这项技术的核心在于能在室温下，精准操控氧原子逐层嵌入铝的晶格中，形成有序的单晶氧化铝介质材料——蓝宝石。这种材料在微观层面上的有序排列，确保了电子在传输过程中的稳定性，使得即使在仅有1纳米的厚度下，依然能够有效阻止电流的泄漏，从而显著提高了芯片的能效。

图1 c-Al₂O₃的制备和表征© 2024 Springer Nature

图2 Al/c-Al₂O₃栅极的性能© 2024 Springer Nature

图3 c-Al₂O₃/MoS₂FET的制备工艺及电子特性© 2024 Springer Nature

图4场效应管阵列的制备© 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

综上，研究人员制造了单晶Al₂O₃，并将其制作为顶栅二维晶体管的高质量介电层。通过结合外延剥离和插层氧化，制备了厚度为1.25nm的原子薄c-Al2O3，其栅极漏电流（J< 1×10^-6A cm^-2）、界面态密度（D_it= 8.4×10⁹cm^-2eV^-1）和介电强度（E_bd= 17.4 MV cm^-1）可以满足低功率器件的IRDS要求。通过使用范德华（vdW）转移方法，整个FET堆叠，包括源极、漏极、电介质和栅极，可以在一步过程中转移到MoS₂沟道，以生产具有优异接触和电介质界面的2D FET。

这一突破将为进一步提高单晶氧化物的多样性、可扩展性和可制造性奠定基础，促进二维半导体从实验室到工业环境的无缝过渡。晶圆级单晶铝和氧化铝的生长方法可以进一步扩展到其他金属，一些以前无法实现的单晶氧化物也可以合成用于各种应用。通过构建复杂的二维集成电路，特别是在成熟的Si-CMOS平台上实现异质集成，可以充分释放二维材料的巨大潜力，为下一代高性能电子器件奠定基础。

原文详情：Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors(Science2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07786-2)

本文由大兵哥供稿。