二維(2D)半導(dǎo)體，如二硫化鉬和黑磷，可以與硅技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)樗鼈兊脑蛹?jí)厚度，優(yōu)異的物理性能，并與經(jīng)典的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)兼容。實(shí)現(xiàn)大規(guī)模二維半導(dǎo)體集成電路的先決條件是原材料的高質(zhì)量和均勻性的大規(guī)模生產(chǎn)。硅晶片是通過(guò)切割大塊單晶錠獲得的，而大面積的二維半導(dǎo)體通常是通過(guò)自下而上的沉積方法獲得的。生長(zhǎng)過(guò)程中引入的晶界和晶體缺陷等缺陷往往會(huì)導(dǎo)致電子性能的嚴(yán)重退化。絕緣襯底上的晶片級(jí)單晶2D半導(dǎo)體是非常需要的，但是它們的生長(zhǎng)仍然是極具挑戰(zhàn)性的。

在過(guò)去的幾十年里，世界各地的電子工程師和材料科學(xué)家一直在研究各種材料在制造晶體管方面的潛力，晶體管是放大或切換電子設(shè)備中電信號(hào)的設(shè)備。眾所周知，二維 (2D) 半導(dǎo)體是制造新型電子設(shè)備特別有前途的材料。

盡管它們具有優(yōu)勢(shì)，但這些材料在電子產(chǎn)品中的使用在很大程度上取決于它們與高質(zhì)量電介質(zhì)、絕緣材料或電流不良導(dǎo)體材料的集成。然而，這些材料可能難以沉積在 2D半導(dǎo)體基板上。

南洋理工大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)和北京量子信息科學(xué)研究院的研究人員最近展示了利用范德華力將單晶鍶滴定物(一種高 κ 鈣鈦礦氧化物)與二維半導(dǎo)體成功整合。他們發(fā)表在Nature Electronics上的論文可能為開發(fā)新型晶體管和電子元件開辟新的可能性。

“我們的工作主要受到2016 年發(fā)表在《自然材料》雜志上的一篇論文的啟發(fā)，”進(jìn)行這項(xiàng)研究的兩位研究人員 Wang Xiao Renshaw 和 Allen Jian Yang 告訴 TechXplore?！斑@篇論文介紹了一種獨(dú)立的單晶鈣鈦礦薄膜的智能方法，這些薄膜通常被視為易碎的陶瓷，但具有豐富的功能。這種方法提供了將這些材料轉(zhuǎn)移到任意基板上并將它們與各種材料集成的機(jī)會(huì)。”

作為最有前途的鈣鈦礦氧化物之一，SrTiO 3具有極高的介電常數(shù)。然而，已發(fā)現(xiàn)將鈣鈦礦氧化物與具有不同原子結(jié)構(gòu)的材料集成幾乎是不可能的。

“通常，單晶鈣鈦礦氧化物和二維層狀半導(dǎo)體之間的晶格失配阻礙了高質(zhì)量氧化物覆蓋層的外延生長(zhǎng)，”Renshaw 和 Yang 解釋道?！按送猓瑔尉р}鈦礦氧化物的生長(zhǎng)條件涉及高溫和氧氣氣氛，對(duì)二維層狀半導(dǎo)體不利。但是，在我們的范德華集成過(guò)程中，鈣鈦礦氧化物生長(zhǎng)在晶格匹配的氧化物上襯底，然后在室溫下轉(zhuǎn)移到二維層狀半導(dǎo)體上?！?

Renshaw Wang、Yang 和他們的同事之前進(jìn)行了幾項(xiàng)研究，重點(diǎn)是生長(zhǎng)氧化物和二維電子產(chǎn)品的技術(shù)?；谒麄?cè)谥肮ぷ髦腥〉玫某晒?，他們開始嘗試將高 κ 鈣鈦礦氧化物和二維層狀半導(dǎo)體結(jié)合起來(lái)，以制造高性能晶體管。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員在水溶性犧牲層上生長(zhǎng)了高 κ 鈣鈦礦氧化物。隨后，他們將鈣鈦礦氧化物從該層中提取出來(lái)，并使用彈性體支撐(即聚二甲基硅氧烷或 PDMS)將其轉(zhuǎn)移到兩種類型的二維半導(dǎo)體上。他們專門使用了二硫化鉬和二硒化鎢，這兩種不同的二維半導(dǎo)體使他們能夠分別制造 n 型和 p 型晶體管。

Renshaw Wang 和 Yang 在一系列測(cè)試中評(píng)估了他們制造的晶體管，發(fā)現(xiàn)它們?nèi)〉昧孙@著的效果。具體而言，二硫化鉬晶體管在1 V 的電源電壓和 66 mV dec-1 的最小亞閾值擺幅下表現(xiàn)出 10 8的開/關(guān)電流比。

“我們成功地規(guī)避了高 κ 鈣鈦礦氧化物和二維半導(dǎo)體集成的限制，我們的方法可以實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)限的材料組合，”Renshaw Wang 和 Yang 說(shuō)?！按送猓覀儼l(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移的高 k鈣鈦礦氧化物和 MoS 2之間的界面質(zhì)量很高，因?yàn)樗刮覀兡軌蛑圃炀哂型蝗坏膩嗛撝敌甭实膱?chǎng)效應(yīng)晶體管?！?

作為他們最近研究的一部分，研究人員表明，他們創(chuàng)建的晶體管可用于制造高性能和低功率互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體逆變器電路。未來(lái)，他們的設(shè)備可以大規(guī)模生產(chǎn)，用于開發(fā)功耗更低的邏輯電路和微芯片。

“在我們接下來(lái)的研究中，我們將嘗試進(jìn)一步提高高 k鈣鈦礦氧化物的質(zhì)量，以降低晶體管和邏輯門的電源電壓，”Renshaw 和 Yang 補(bǔ)充道?！芭c此同時(shí)，我們將監(jiān)測(cè)柵極泄漏電流，并在必要時(shí)采用緩沖層或雙高 k 氧化物來(lái)阻止柵極泄漏?！?