钙钛矿，又双叒叕登Nature！一e测试

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钙钛矿，又双叒叕登Nature！

2022-05-17 17:17:28 0 778

一、研究背景

对于硅 (Si) 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 中的亚 10 纳米技术节点，亚纳米电容等效厚度 (CET) 和与通道的完美界面，对于栅极电介质保持栅极可控性至关重要。同样，开发出适用于未来节点的二维 (2D) MOSFET 的可靠高介电常数 (κ) 材料 (CET < 1 nm)也是大家所期待的。硅技术中常用的高 κ 电介质（即氧化铝 (Al₂O₃) 和氧化铪 (HfO₂)）已与二维过渡金属二硫属化物材料集成在一起。然而，它们的无定形性和不完美的介电/过渡金属-二硫属化物界面使得消除电荷散射和陷阱变得困难，此外，介电沉积工艺会直接损坏二维通道。尽管已经开发了几种界面钝化层，例如有机分子和原子级薄的六方氮化硼 (hBN)，但这些层会降低整体栅极电容。

另一种有吸引力的方法是采用晶体介电材料，例如多层 hBN 和外延氟化钙 (CaF₂)，尽管其相对较低的介电常数会延缓 CET 收缩，但原子级平坦的表面比传统的非晶氧化物产生更光滑的介电/半导体界面。钙钛矿锶钛氧化物 (SrTiO₃) 表现出高静态介电常数（在室温下，ε_bulk ≈ 300），这使其成为具有潜力的的栅极电介质，用于在复杂的氧化物异质界面对硅、石墨烯或二维电子气体进行静电调制。此外，合成单晶独立式钙钛矿氧化物膜的最新进展已经建立了一条可行的途径，将超高 κ 结晶 SrTiO₃ 薄膜与二维半导体集成以形成高质量的介电/通道界面，以克服目前栅极控制的限制。

二、研究成果

近日，新南威尔士大学的Sean Li教授课题组，协同香港大学李连忠教授课题组探索发现了可转移的超高 κ 单晶钙钛矿锶钛氧化物膜作为 2D 场效应晶体管的栅极电介质。他们研发的钙钛矿膜表现出理想的亚一纳米级 CET 和低漏电流（在 2.5 兆伏/厘米时小于 10^-2 安培/平方厘米）。而且发现由于使用超高 κ 电介质而导致的不利边缘诱导的势垒降低效应，锶钛氧化物电介质和二维半导体之间的范德华间隙减小了。通过化学气相沉积和锶钛氧化物电介质制成的典型短通道晶体管表现出陡峭的亚阈值摆幅低至每十倍频约 70 毫伏，开/关电流比高达 10⁷，这与最新的国际器件和系统路线图建议的低功率规格相符。相关研究工作以“High-κ perovskite membranes as insulators for two-dimensional transistors”为题发表在顶级期刊《Nature》上。

三、图文速递

图1.独立式单晶 SrTiO₃ 层的制备与表征

图2. 单晶SrTiO₃膜的介电性能

图3. 具有超高 κ SrTiO₃电介质的局部背栅MoS₂ FET

图4. 基于超高κ SrTiO₃电介质的短通道 MoS₂ FET的静电学

四、结论与展望

简而言之，二维半导体的晶体表面和定义明确的 vdW 界面展示了未来晶体管技术的扩展潜力。钙钛矿膜的弹性和纤薄特性也使得使用 MoS₂ 作为晶体管通道的电子器件的柔性和透明性得以实现。同时，考虑到钙钛矿氧化物领域已经建立的精细控制和可扩展的生长技术，将功能性钙钛矿氧化物膜与 2D 材料自由集成的能力为单片 3D 集成的层压组装提供了途径。

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