研究背景
随着现代电子学的迅猛发展和半导体器件超大规模集成化趋势，传统氧化物电介质（如二氧化硅）受到介电击穿场强的限制，阻碍了场效应晶体管尺寸的进一步缩小。近年来，基于胶体化学“界面电双层”概念发展起来的新型离子液体电双层调控技术能够实现巨大的电容耦合，并在低工作电压下调控材料表面的载流子浓度，这为调控材料电子态和凝聚态物理中的强关联量子现象提供了有效手段。然而，这些有机离子电解质通常无法与现有半导体制造工艺兼容，使得基于界面电双层效应的电介质难以集成到现代电子器件中。为解决这一问题，南京大学袁洪涛教授，杨玉荣副教授，清华大学薛其坤教授和美国斯坦福大学崔屹教授联合在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“Superionic fluoride gate dielectrics with low diffusion barrier for two-dimensional electronics”的最新论文。他们开发出了一种以氟化镧为代表的超离子固态氟化物介电薄膜材料家族。这些氟化物介电材料表现出优异的性能，包括大电容耦合、高击穿场强、极低的等效氧化层厚度等。作者通过将固态超离子氟化物作为电介质与二维半导体材料MoS2相结合，他们实现了高性能的电双层场效应晶体管，并构建了各种逻辑门电路，展示了该技术在先进电子器件和量子材料关联物态调控中的巨大潜力。这项研究成果为大规模集成电路的发展提供了新的可能性，同时也为研究者提供了新的思路和方向。
科学亮点
（1）本文首次探索了固态超离子氟化物薄膜作为高电容耦合的电介质材料。作者选择稀土金属氟化物作为代表，发现其具有超低的离子迁移壁垒，这在以往研究中尚未被报道。 （2）实验结果表明，超离子氟化物薄膜在10 mHz频率下的静态电容性能可达到超过20 μF cm−2，相当于等效氧化物厚度约为0.15 nm。此外，当门电压低于3.0 V时，这些氟化物薄膜的泄漏电流密度仅为10-6 A cm-2。（3）氟化物门控的MoS2晶体管展现出高达108以上的静态开/关电流比，并且在±1.0 V的门电压范围内具有接近理想的亚阈值摆幅为65 mV dec-1。（4）通过将氟化物门控的n型MoS2和p型WSe2晶体管集成在一起，作者成功实现了逻辑电路，包括NOT、NAND、NOR、AND和OR操作，而这些操作的静态能耗较低。（5）特别地，作者发现逻辑反相器的静态电压增益可高达167，超过了基于过渡金属二硫化物的其他报道值。（6）最后，使用氟化物作为门电介质，作者展示了在Bi2Sr2CaCu2O8+δ（Bi-2212）中实现电驱动的超导-绝缘体转变的可能性，这突显了氟化物门控对量子材料中电子态的重要调控性。
图文解读
图1：氟化物电介质目录的晶体结构、电介质特性和F-离子迁移。图3. 基于n型MoS2和p型WSe2晶体管的CMOS反相器。 图 4. 基于氟化物门控的n型MoS2和p型WSe2晶体管的线性逻辑。图 5. 通过氟化物门控在Bi-2212中连续调节超导-绝缘体转变。
研究结论
本文揭示了氟化物基超离子电介质的出色性能和潜在应用，为电子器件领域带来了新的科学启迪。首先，通过氟化物电介质的优异性能，特别是其高电容耦合和门控能力，解决了传统氧化物电介质在性能限制方面的问题，为电子器件的高性能操作提供了可能性。其次，揭示了F-离子迁移机制的通用性，为寻找其他大电容耦合电介质材料提供了理论指导。此外，通过氟化物门控技术，成功实现了对半导体和量子材料电子态的调控，拓展了量子材料在电子学中的应用领域。最后，对氟化物门控晶体管的性能优化和晶圆尺度制备提出了展望，为制造先进电子设备和功能器件提供了新的材料平台和制备方法。这些启示为未来电子学研究和器件应用提供了新的思路和方向。Meng, K., Li, Z., Chen, P. et al. Superionic fluoride gate dielectrics with low diffusion barrier for two-dimensional electronics. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01675-5
