华中大翟天佑教授团队《Adv Mater》综述 ：二维电子器件中的介电层集成 -

2023-03-31 20:50:59

　　二维半导体因具有优越的电学性能以及高度可控的特性，在基础研究与先进电子器件领域具有广泛应用。然而，二维半导体缺乏合适电介质使得基于二维半导体的微纳器件发展遇到瓶颈。传统电介质在集成至二维半导体上时的主要问题在于介电层质量差与界面缺陷多，这些问题使得器件性能的大幅劣化。针对微纳器件中二维半导体与传统电介质不兼容的问题，华中科技大学的翟天佑团队分析了上述问题的深层原因，并总结了近几年来对传统电介质集成的优化以及具有范德华界面新型电介质的发展，为未来二维器件中高水平电介质的发展指明了方向。

　　电介质是一种可被电场极化的绝缘体，其中的电荷会在外加电场作用下向两端移动。由于这种特性，电介质在晶体管结构中可以起到通过栅压调节沟道材料电导的重要作用。随着晶体管尺寸的不断减小，具有优秀电学性能的二维半导体成为了有望取代硅的新一代沟道材料。同时，更小的器件尺寸也对栅极电介质的性能提出了更高的要求，栅极电介质对器件整体性能的影响也越来越明显。禁带宽度与介电常数是电介质的两个最重要的品质因数。禁带宽度决定了电介质与沟道材料间的隧穿势垒高度，进而决定了栅极漏电流的大小。介电常数则决定了电介质层的电容，从而决定了栅极调控的效率。除此之外，电介质与沟道材料间的界面质量与电介质层本身的质量均对器件性能有重要影响。

　　然而，当传统高κ电介质集成在二维半导体表面时，往往会出现薄膜质量差，界面缺陷密度高等问题。这些问题导致载流子在二维半导体中的传输效率远低于理论值，从而使器件性能大幅劣化。造成上述问题出现的根本原因在于，传统电介质表面具有大量悬挂键与缺陷，在与二维半导体集成时会导致载流子散射与捕获。同时由于二维半导体表面缺乏成核点，所集成的介电层薄膜具有大量空洞而不连续，引起较大的漏电流。这些传统高κ电介质与二维半导体不兼容的问题，驱动了对传统电介质的改进和对新型电介质的发展。

　　图2. 二维晶体管的性能与介电层息息相关。介电层材料的禁带宽度，介电常数与薄膜质量直接决定了二维晶体管品质参数。

　　解决传统高κ电介质与二维半导体不兼容问题的方法分为两大类，包括优化高κ电介质的集成工艺使其适用于二维半导体，与开发能与二维半导体兼容的、具有范德华界面的高性能电介质。对于传统高κ电介质，优化其在二维半导体表面集成的方法包括使用等离子体、引入种子层、原位氧化集成。使用等离子体对二维半导体预处理可以增加其表面的成核位点，进而促进高κ电介质的均匀沉积，但是缺点在于处理过程会在二维半导体表面造成损伤从而引入缺陷。引入有机小分子或者氧化物种子层可有效提升介电层薄膜与界面的质量，同时避免对二维半导体的损伤。原位氧化可以将部分二维半导体在可控的速率下转化为对应的氧化物，而这种方法的不足之处在于泛用性较差。另一方面，具有范德华界面的新型电介质包括以hBN为代表的层状电介质、以CaF2为代表的离子晶体电介质、和以Sb2O3为代表的分子晶体电介质。这类材料最突出的共同点为它们都具有惰性的表面，能与二维半导体形成理想的范德华界面，从而使载流子能在沟道材料中高效输运。

　　除了作为栅极介电层之外，电介质在二维器件中有广泛应用。二维半导体的超薄特性使得其电学与光学性质受到环境的较大影响，因此可以通过对介电环境的改变对二维半导体的电子能带结构与激子寿命等性能进行有效调控。另一方面，具有自发极化的铁电半导体使得晶体管的亚阈值摆幅突破热力学极限，从而实现低能耗的高性能晶体管器件。

　　在文章的最后，作者从介电性能、器件性能与集成过程三方面提出了二维电子器件中理想电介质的六大品质，包括低漏电流、高电容、惰性界面、低缺陷密度、薄膜质量高、以及与CMOS工艺兼容。对于现有优化高κ电介质的集成工艺与具有范德华界面的新型电介质，作者对各种方法与材料体系的优缺点进行了系统的总结。

　　华中科技大学翟天佑教授团队(专注于研究方向为低维无机光电功能材料和微纳器件方面，研究方向主要包括光电功能材料、微纳光电器件、储能材料与器件、光催化和电催化等。中心先后承担了基金委杰青/优青/面上/青年/重大培育/仪器研制、科技部重点研发计划、国家重大科学研究计划、湖北省创新群体/杰青等等40余项国家级/省部级科研项目。实验室近年来发表论文260余篇，其中IF大于10的论文130余篇，22篇入选ESI高被引论文，25篇入选封面文章。相关研究成果发表在Nat. Electron., Nat. Commun., Adv. Mate., J. Am. Chem. Soc.等国际顶刊。

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