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原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

随着硅 (Si)场效应晶体管 (FET) 接近尺寸的基本极限，需要新一代半导体通道来减少短通道效应。二维 (2D) 材料如二硫化钼 (MoS₂)，其厚度仅为原子级，具有高载流子迁移率，在未来的晶体管中具有巨大的潜力。

关键问题

然而，2D FET的发展主要存在以下问题：

1、2D FET缺乏合适的电介质材料，难以发挥全部潜力

由于缺乏合适的高质量电介质，尽管 2D 场效应晶体管 (FET) 具有优异的物理和电学性能，但仍无法发挥其全部理论潜力和优势。 

2、原子级薄的金属氧化物具有独特的电子、光学和磁性，具有发展潜力

在Si技术中运行良好的非静态氧化物电介质难以提供与2D材料均匀且明确的界面，晶体电介质则存在带隙相对较窄、介电常数低的问题。原子级薄的金属氧化物具有独特的电子、光学和磁性，，能提供足够的介电性能和原子级平坦的表面，使其适合对二维材料的通道进行静电调制，以克服目前的局限性。   

新思路

有鉴于此，中国科学院上海微系统与信息技术研究所狄增峰、田子傲等人展示了原子级薄单晶 Al₂O₃ (c-Al₂O₃) 作为 2D FET 中高质量顶栅电介质的制造。通过使用插层氧化技术，在室温下在单晶Al表面形成一层稳定、化学计量、原子级薄的 c-Al₂O₃ 层，厚度为1.25 nm。由于良好的晶体结构和明确定义的界面，c-Al₂O₃的栅极漏电流、界面态密度和介电强度符合国际器件与系统路线图的要求。通过由源极、漏极、介电材料和栅极组成的一步转移工艺，实现了顶栅 MoS₂ FET，其特点是亚阈值摆幅陡峭，为 61 mV dec⁻¹，开/关电流比高，为10⁸，磁滞极小，为 10 mV。该技术和材料展示了生产高质量单晶氧化物的可能性，适合集成到完全可扩展的先进 2D FET 中，包括负电容晶体管和自旋晶体管。

技术方案：

1、制备并表征了单晶Al₂O₃

作者通过电子束蒸发和范德华外延技术，成功合成了原子级薄的高介电c-Al₂O₃层，满足了低功耗器件的IRDS要求，可实现晶片级生产。    

2、测量了Al/c-Al₂O₃栅极的性能

c-Al₂O₃作为2D器件电介质，显著降低了栅极漏电流和界面态密度，满足低功耗IRDS标准，展现优异的缩减2D FET潜力。

3、制备了c-Al₂O₃/MoS₂ FET并分析了其电子特性

作者究通过vdW转移法制备自对准MoS₂ FET，实现低漏电流和高开关比。c-Al₂O₃/MoS₂界面清晰，展现出卓越的电子特性和稳定性。

4、证实了批量制造 c-Al₂O₃/MoS₂ FET的可行性

作者通过成功在4英寸CVD-MoS₂晶片上制备了大面积顶栅FET阵列，证实了c-Al₂O₃/MoS₂ FET的可扩展制造性和高度均匀性，预示了高性能电子器件的制造潜力。

技术优势：

1、成功制备了原子级薄的高质量电介质层

作者采用外延剥离和插入氧化的方法，成功制备了厚度仅为1.25纳米的单晶Al₂O₃，作为2D MoS₂ FET的电介质层，展现出了低栅极漏电流、低界面态密度和高介电强度，满足了低功耗器件的国际器件和系统路线图（IRDS）要求。

2、实现了具有出色接触和电介质界面的2D FET制造

作者通过使用范德华转移方法，将整个FET堆栈（包括源极、漏极、电介质和栅极）在一步工艺中转移到MoS₂通道上，实现了具有出色接触和电介质界面的2D FET，通过制造一批100个器件证实了出色的加工可重复性和均匀性。

技术细节

单晶Al₂O₃的制备与表征    

作者成功开发了一种无需复杂化学反应或精密设备的可扩展方法，可用于合成高质量的原子级薄c-Al₂O₃层。HR-TEM和XRD结果表明，通过电子束蒸发在石墨烯/锗晶片上生产单晶Al，利用范德华外延方法，实现了晶片级单晶Al(111)的外延生长 。采用弱范德华力将Al剥离，并在控制氧环境中氧化，形成均匀的c-Al₂O₃层，其厚度可通过氧化时间调节。该方法具有高介电强度，满足了低功耗器件的国际器件和系统路线图(IRDS)要求 。此外，通过控制氧化时间，可以制备不同厚度的c-Al₂O₃层，且4英寸c-Al₂O₃/Al晶片的厚度映射表明变异系数非常均匀，为±6% 。

图  c-Al₂O₃的制备和表征

Al/c-Al₂O₃栅极的性能

通过使用单晶c-Al₂O₃作为2D器件的栅极电介质，有效降低了栅极漏电流(J)和界面态密度(D_it)，满足了低功耗器件的国际器件和系统路线图(IRDS)标准。c-Al₂O₃具有8.8eV的大带隙，与多层MoS₂形成的异质结构展现出原子级清晰的界面，并通过HR-TEM和电子衍射图案确认了其结晶度和周期性原子间距离。实验结果显示，c-Al₂O₃/MoS₂结构的J值比非晶态Al₂O₃/MoS₂低两个数量级，仅为10^-6 A cm^-2，远低于IRDS标准。以SiO₂/Si为全局背栅、以Al/c-Al₂O₃ 为顶栅堆叠的双栅器件，精确测量等效氧化物厚度(EOT)，c-Al₂O₃器件展现出最小的EOT，具有缩小2D FET的潜力。此外，c-Al₂O₃/MoS₂的D_it值为8.4×10⁹ cm^-2 eV_-1，符合低待机功率CMOS的IRDS要求，与Si/SiO₂相当，表明c-Al₂O₃是2D FETs的理想电介质材料。    

图  Al/c-Al₂O₃栅极的性能

c-Al₂O₃/MoS₂ FET 的制备及电子特性    

为了研究基于c-Al₂O₃的2D FET的电子特性，作者采用范德华(vdW)转移法制作了具有2nm厚c-Al₂O₃的自对准MoS2 FET，有效实现了低漏电流和高电流开关比。通过TEM图像确认了异质结构的清晰界面，展示了原子级平整度。MoS₂ FET显示出优良的电流控制和饱和度，亚阈值摆幅(SS)约为76 mV dec^-1，开/关电流比(I_on/I_off)高达10⁹。此外，通过对比实验发现，使用c-Al₂O₃的FET相较于非晶态Al₂O₃具有更低的SS和磁滞，显示出更优的电气性能。

图   c-Al₂O₃/MoS₂ FET 的制备及电子特性

批量制造 c-Al₂O₃/MoS₂ FET

作者成功在4英寸CVD-MoS₂晶片上制备了大面积顶栅FET阵列，证实了c-Al₂O₃/MoS₂ FET的可扩展制造性。通过vdW转移法，实现了高质量的FET堆栈向MoS₂/蓝宝石基板的完整转移，晶片上未观察到皱纹或裂纹。这些FET展现出了优异的静电控制和n型特性，100个FET的转移曲线显示了极高的均匀性。70%的设备在75–175 mV dec⁻¹的SS值范围内表现了高10⁶的I_on/I_off，为CVD-MoS₂ FET中的佼佼者。随着高质量单晶MoS₂的广泛应用，预计MoS₂晶体管阵列的SS值和分布将得到显著改善。c-Al₂O₃/石墨烯FET的均匀性和可扩展性预示着c-Al₂O₃技术在未来制造高性能射频晶体管和其他复杂电路方面的潜力。    

图  在CVD-MoS₂/蓝宝石晶片上批量制造 c-Al₂O₃/MoS₂ FET

展望

总之，作者展示了单晶Al₂O₃作为顶栅2D晶体管的高质量介电层的制造。这一突破将为进一步提高单晶氧化物的多样性、可扩展性和可制造性奠定基础，促进 2D 半导体从实验室到工业环境的无缝过渡。晶圆级单晶铝和氧化铝的生长方法可以进一步扩展到其他金属，并且可以合成一些以前无法获得的单晶氧化物用于各种应用。这一历程中的一个显著进步是能够扩大到当前的硅晶圆直径，因为用于单晶石墨烯合成的起始锗可以直接在硅上外延生长，这大大拓宽了集成到现有硅工厂制造工艺的潜力。同时，开发专用于低维材料（包括单晶介电氧化物、二维通道材料和超薄金属电极）的自动脱键转移工具对于实现多功能二维器件之间独特的对准至关重要，有望大幅提高吞吐量、提高可重复性和增强二维集成电路的可靠性。通过构建复杂的二维集成电路，特别是在成熟的 Si-CMOS 平台上进行异质集成，二维材料的巨大潜力可以得到充分释放，并为下一代高性能电子设备奠定基础。

参考文献：

Zeng, D., Zhang, Z., Xue, Z. et al. Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors. Nature (2024).

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07786-2