提出了一种利用超薄介质制作二维电子器件的新设计策略

二维半导体可以有非常有用的应用，特别是作为低功率晶体管的通道材料..这些材料在极端厚度下表现出很高的迁移率，这使得它们在制造电子产品时特别有希望替代硅。

尽管它们有优点，但迄今为止，在晶体管中实现这些材料已被证明是具有挑战性的。事实上，二维半导体是一种悬空的无键性质；因此，众所周知，通过原子层沉积（ALD）在材料上沉积超薄高κ栅介电（即具有介电性能或绝缘体）是很困难的，通常会导致不连续的薄膜。

中国南京大学的研究人员最近提出了一种新的策略来克服这一限制，最终允许在二维半导体上沉积栅极介质。在《自然电子》（Nature Electronics）上发表的一篇论文中，他们报道了利用分子晶体作为种子层在二维半导体上成功地制备了高κ栅介质。

开展这项研究的研究人员之一王欣然告诉TechXplore说：“我们的研究试图解决二维晶体管的高质量栅极介质集成问题。“在最先进的硅晶体管中，有效氧化物厚度（EOT）被缩小到亚-1纳米。目前，二维材料与Si在EOT、界面状态密度（Dit）和栅极泄漏方面存在较大的差距。如果要认真推进二维晶体管技术，就必须克服这一差距。”

王和他的同事引入的方法可以在石墨烯、二硫化钼（MoS2）和二硒化钨（WSe2）上生产等效氧化物厚度为1nm的介质。研究人员的方法产生的电介质显示出与使用更传统的方法生产的电介质相比，粗糙度、界面态密度和泄漏减少。有趣的是，它们还提供了一个改进的击穿场。

除了二维晶体管，我的研究小组探索的另一个方向是有机电子学。“过去几年，我们发展了精确控制二维材料表面分子组装的手段。对于许多分子，包括PT CDA，我们证明我们可以很好地控制生长，只有单层（~0.3n m）均匀沉积，具有非常干净的界面。

王和他的研究团队在以前的工作中创建的界面层是目前最薄的界面层之一。在本研究中，他们利用这一层制作了工作在60GHz的石墨烯射频晶体管，以及MoS2和WSe2互补金属氧化物半导体晶体管，其电源电压为0.8V，亚阈值波动为60mVdec-1。最后，他们还利用他们的技术创建了通道长度为20nm的MoS2晶体管，其开关比超过107。

“我认为我们最有意义的结果是我们能够在二维材料中实现1nm的EOT，”王说。“人们普遍认为，与体积半导体相比，二维通道可以降低晶体管的功耗。然而，为了实现这一点，我们必须使用相同的操作电压，晶体管可以急剧关闭（亚阈值摆动接近60mV/dec）。这两个数量在很大程度上取决于栅极介质的质量和厚度。我们的研究真实地证明了二维半导体对低功耗电子产品的潜力。

王和他的研究小组是第一个成功地开发了具有1nmEOT的二维晶体管，成功地在三种不同的材料上对介质进行了去电。值得注意的是，他们获得的EOT和栅极泄漏与在最先进的硅CMOS中观察到的相当，这是在这一研究领域向前迈出的重要一步。

“我认为还有很大的改进空间，”王思潮说。例如，二维晶体管中的Dit仍然比SiCMOS高2个数量级。此外，使用更高的k氧化物进一步将EOT降低到0.8nm是很好的。最后，我们开发的材料与现有CMOS工艺的兼容性也有待研究。

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