【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，哈工大深圳校區(qū)材料科學(xué)與工程學(xué)院徐成彥教授、集成電路學(xué)院秦敬凱副教授團隊在二維集成電路領(lǐng)域取得重要進展，相關(guān)成果以《面向二維半導(dǎo)體晶體管和集成電路應(yīng)用的新型超薄鈮酸鎂高κ柵介質(zhì)單晶材料》(Magnesium niobate as a high-κ gate dielectric for two-dimensional electronics)為題，發(fā)表于《自然電子學(xué)》(Nature Electronics)。該研究開發(fā)了基于超薄單晶鈮酸鎂高κ柵介質(zhì)的二維場效應(yīng)晶體管(FET)器件，突破了二維半導(dǎo)體材料與超薄單晶介電層的集成工藝和器件服役瓶頸，有效拓展了高可靠二維半導(dǎo)體晶體管和集成電路的實際應(yīng)用。
 

　　隨著硅基芯片集成度的不斷提高，芯片中最基本單元—場效應(yīng)晶體管(FET)的尺寸正逐漸逼近物理極限，面臨短溝道效應(yīng)和柵極漏電等問題，嚴(yán)重阻礙了芯片性能的進一步提升?；诙S半導(dǎo)體溝道材料(如MoS2、WSe2等)的新架構(gòu)晶體管器件具有優(yōu)異的柵控能力和漏電控制，被認為是埃米時代高密度邏輯集成芯片的優(yōu)選技術(shù)路線之一。發(fā)展與之匹配的新型高κ介電材料及集成技術(shù)，抑制界面缺陷態(tài)密度和載流子散射，并提高器件在實際服役環(huán)境下的可靠性，是構(gòu)建二維材料集成電路芯片的關(guān)鍵。在二維晶體管器件結(jié)構(gòu)中，通常采用薄膜沉積技術(shù)(如原子層沉積，ALD)在溝道表面沉積具有高介電常數(shù)的氧化物(如HfO2、Al2O3等)作為電介質(zhì)層，但該方法會引入較高的缺陷密度和較差的界面質(zhì)量，導(dǎo)致晶體管漏電流增加和溝道載流子散射等問題，進而影響晶體管性能。將單晶柵介質(zhì)與二維溝道半導(dǎo)體進行范德華(vdW)異質(zhì)集成是提高二維晶體管性能的有效途徑之一。因此，研究人員致力于開發(fā)具有高介電常數(shù)和高擊穿場強的新型二維電介質(zhì)材料，以滿足低功耗二維集成電路的迫切需求。
 

　　基于此，徐成彥、秦敬凱團隊采用云母襯底緩釋與空間限域協(xié)同作用的制備方法，成功制備了具有原子級厚度的高質(zhì)量MgNb2O6單晶薄膜。MgNb2O6單晶在寬溫度范圍內(nèi)(300~500 K)內(nèi)表現(xiàn)出極佳的綜合介電性能，包括高介電常數(shù)(15-20)、大擊穿強度(13-16 MV·cm−1)以及超過100年的擊穿壽命。基于超薄MgNb2O6單晶介電層，制備的頂柵結(jié)構(gòu)單層MoS2場效應(yīng)晶體管陣列器件表現(xiàn)出超過4×107的開關(guān)比，低至62 mV·dec−1的亞閾值擺幅(SS)、低至0.9 mV/(MV·cm−1) 的超小回滯以以及優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，團隊還開發(fā)了基于MgNb2O6單晶柵介質(zhì)的全二維短溝道(50 nm)反相器，并在1 V的驅(qū)動電壓下實現(xiàn)了13.3的電壓增益。團隊成員介紹說，本研究為開發(fā)高集成度、低功耗且適用于極端環(huán)境的二維集成電路提供了重要的解決方案。
 

　　MgNb2O6單晶薄膜的限域合成及應(yīng)用。(a)MgNb2O6單晶薄膜合成機理圖；(b-c)MgNb2O6薄膜介電性能研究；(d)晶體管器件示意圖；(e)MgNb2O6與MoS2的界面表征；(f)MgNb2O6與MoS2的能級對齊圖；(g)不同溫度下晶體管器件的轉(zhuǎn)移特性曲線及回滯測試；(i)基于不同柵介質(zhì)的晶體管器件的亞閾值擺幅和歸一化回滯對比；(h)短溝道反相器的電壓傳輸特性曲線。

 

　　哈工大深圳校區(qū)為論文第一完成單位和通訊單位。哈工大深圳校區(qū)集成電路學(xué)院秦敬凱副教授、材料科學(xué)與工程學(xué)院徐成彥教授、香港理工大學(xué)柴揚教授、復(fù)旦大學(xué)王競立副研究員為論文通訊作者。哈工大深圳校區(qū)博士研究生朱成義為論文第一作者，復(fù)旦大學(xué)博士生張夢如和哈工大深圳校區(qū)陳青助理研究員為論文共同第一作者。哈工大材料學(xué)院甄良教授、深圳校區(qū)集成電路學(xué)院趙維巍教授、湖南大學(xué)李佳副教授、南方科技大學(xué)周菲遲副教授以及上海交通大學(xué)司夢維副教授參與相關(guān)研究工作。該研究還得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、深圳市科技計劃等項目支持。