半导体学院在二维半导体超薄介电层集成技术研究取得重要进展

近日，我院和物理与微电子科学学院合作，利用范德华集成策略，结合原子尺度二维硫化铪的物性转变，获得了超薄氧化铪介电层和绝对理想的栅介质/半导体界面，突破了二维电子器件超薄介电层集成的瓶颈，有望推动二维集成电路的发展。该成果以“Molybdenum disulfide transistors with enlarged van der Waals gaps at their dielectric interface via oxygen accumulation”为题发表在国际顶级电子学期刊《Nature Electronics》上。

器件的结构表征和基础性能。

二维半导体有着化学惰性的表面，通常缺乏悬挂键和亲水基团，这使得超薄介电材料的异质集成面临巨大挑战。同时，为了保持低的晶体管制备温度，栅极介质材料多为非晶态，这导致了高的介质/沟道界面缺陷态密度，造成大的晶体管回滞电压。因此，寻找新的技术方案来优化二维半导体与栅极介质之间的界面，在不损伤沟道本征性能的前提下，实现高质量栅极界面，对新型半导体器件的构建至关重要。

当距离超过3埃时，两种材料间的耦合作用会极大减弱并形成一个接近物理吸附的界面。此时，两种材料的电子性质不再相互影响，介质缺陷与沟道层之间的耦合作用将被极大削弱，并保留各自固有的电学特性。通过范德华异质集成，巧妙地在栅极绝缘层和MoS₂沟道之间构建了宽度达到5.3埃的范德华间隙（图1），有效的拉开了半导体沟道层与栅极绝缘层的距离，实现了准物理吸附的异质界面，去除了栅极缺陷与沟道之间的缺陷耦合，获得了回滞电压低至10 mV、亚阈值摆幅接近理论极限的MoS₂顶栅晶体管。基于该晶体管优良的电学性能，组装了或、与、非逻辑门电路，并实现超高的电压增益。

我院刘兴强教授和廖蕾教授、博士后秦文静以及武汉大学何军教授是该工作的共同通讯作者，湖南大学为第一通讯单位。硕士研究生罗鹏飞和博士研究生柳畅为文章共同第一作者。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金和湖南省自然科学基金等项目的支持。

文章链接https://www.nature.com/articles/s41928-022-00877-w