北京大學彭海琳課題組在二維半導體超薄單晶柵介質(zhì)研究中取得重要進展
北京大學彭海琳課題組在二維半導體超薄單晶柵介質(zhì)研究中取得重要進展
隨著集成電路芯片向亞3納米技術節(jié)點邁進，晶體管中關鍵尺寸不斷微縮，帶來更高的開關速度和集成度，但也會導致短溝道效應，嚴重影響晶體管性能，摩爾定律正逼近物理極限，這使得業(yè)界亟需開發(fā)新材料和新架構(gòu)。原子級厚度的高遷移率二維半導體將取代傳統(tǒng)硅鍺，成為備選溝道材料，而柵介質(zhì)的等效氧化層厚度（equivalent oxide thickness，EOT）也需微縮至0.5納米以下。如何有效地將高遷移率二維半導體與高介電常數(shù)柵介質(zhì)集成并極限微縮（EOT < 0.5納米）是電子學領域的一個重要挑戰(zhàn)。近日，北京大學彭海琳課題組建立了高遷移率二維半導體Bi2O2Se的紫外光輔助插層氧化方法，實現(xiàn)了新型自然氧化物單晶柵介質(zhì)β-Bi2SeO5的可控制備，其介電常數(shù)高達22，絕緣性能優(yōu)異。二維Bi2O2Se/Bi2SeO5基頂柵場效應晶體管的柵介電層EOT可微縮至0.41納米，突破了二維電子器件超薄柵介質(zhì)集成這一瓶頸。相關研究成果以“亞0.5納米等效氧化層厚度的二維半導體單晶自然氧化物柵介質(zhì)”（A single-crystalline native dielectric ftwo-dimensional semiconductors with an equivalent oxide thickness below 0.5 nm）為題，于2022年9月15日在線發(fā)表在《自然-電子學》（Nature Electronics）。
集成電路芯片中晶體管的關鍵尺寸在摩爾定律的推動下不斷微縮。當晶體管中半導體溝道長度小于6倍特征長度（λ）時，會發(fā)生閾值電壓漂移、漏電流增大等短溝道效應，制約了晶體管進一步向亞3納米技術節(jié)點微縮。如公式λ= 
所示，這一特征長度λ與晶體管的有效柵極數(shù)目（n）、半導體溝道厚度（tb）與介電常數(shù)（εb），以及柵介質(zhì)的厚度（tox）與介電常數(shù)（εox）直接相關。因而，業(yè)界計劃使用原子級厚度的高遷移率二維半導體材料取代傳統(tǒng)硅鍺作為溝道材料，同時需將柵介質(zhì)的等效氧化層厚度（equivalent oxide thickness，EOT）微縮至0.5納米以下，來減小特征長度λ以抑制短溝道效應。
然而，將高遷移率二維半導體與高介電常數(shù)的柵介質(zhì)有效集成并極限微縮是電子學領域的一個重要挑戰(zhàn)。目前，商用硅基集成電路中所用的柵介質(zhì)為原子層沉積法（ALD）制備的氧化鉿（HfO2），其在二維半導體無懸掛鍵的范德華表面難以均勻沉積，無法形成連續(xù)薄膜。而與二維半導體兼容的柵介質(zhì)，如六方氮化硼（hBN）、氟化鈣（CaF2）、有機緩沖層復合的HfO2等，由于介電常數(shù)較低、絕緣性不足等原因，EOT僅能微縮至0.9納米水平。因此，二維電子學領域亟需開發(fā)與二維半導體兼容的亞0.5納米EOT的柵介質(zhì)。
北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授課題組前期開發(fā)了新型高遷移率二維半導體Bi2O2Se（Nature Nanotechnology 2017, 12, 530），并對其氧化轉(zhuǎn)化及自然氧化物介電層進行了深入研究。首次發(fā)現(xiàn)通過熱氧化（NatureElectronics 2020, 3, 473）或等離子體氧化（Nano Letters 2020, 20, 7469），二維Bi2O2Se表面可形成具有高介電常數(shù)（21~22）和較好絕緣性能的自然氧化物柵介質(zhì)Bi2SeO5（多晶或無定型相），并基于二維Bi2O2Se/Bi2SeO5構(gòu)筑了高性能的場效應晶體管器件和邏輯門電路（Acc. Mater. Res. 2021, 2, 842-853），其柵介質(zhì)的EOT可微縮至0.9納米水平。
最近，彭海琳教授課題組從二維半導體Bi2O2Se的拉鏈形層狀結(jié)構(gòu)受到啟發(fā)，借鑒二維材料插層化學，建立了Bi2O2Se的紫外光輔助插層氧化方法（圖1a），保持其Bi-O層狀骨架結(jié)構(gòu)不變，將二維半導體Bi2O2Se原位轉(zhuǎn)化為單晶氧化物柵介質(zhì)β-Bi2SeO5。這是繼先前熱氧化工作制得的多晶α-Bi2SeO5介電層之后，Bi2O2Se自然氧化物的另一種物相。這種紫外光輔助插層氧化方法可與紫外光刻技術相兼容，借助特制的光刻掩模版，可實現(xiàn)晶圓級樣品的區(qū)域選擇性氧化（圖1b）。二維Bi2O2Se可被逐層可控插層氧化，并形成原子級平整、晶格匹配的高質(zhì)量半導體/介電層界面（圖1c）。
單晶β-Bi2SeO5可用作二維Bi2O2Se基晶體管的理想柵介質(zhì)。掃描微波阻抗顯微鏡表征和電容-電壓測量表明，單晶β-Bi2SeO5具有高達22且不受厚度影響的面外介電常數(shù)。除具有高質(zhì)量界面和高介電常數(shù)以外，β-Bi2SeO5柵介質(zhì)還因其層狀單晶結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)良的絕緣性。原位插層氧化構(gòu)筑的二維Bi2O2Se/Bi2SeO5頂柵場效應晶體管表現(xiàn)出優(yōu)良的電學性能：室溫遷移率可高達427 cm2/Vs，回滯可低至20~60 mV，亞閾值擺幅（SS）可低于65 mV/dec，接近理論值60 mV/dec。更重要的是，柵介質(zhì)β-Bi2SeO5即使薄至3層（2.3納米），EOT低至0.41納米，在1 V柵壓下的漏電流依然低于0.015A/cm2，滿足業(yè)界低功耗器件對柵介質(zhì)的要求。
單晶柵介質(zhì)β-Bi2SeO5在漏電流滿足業(yè)界低功耗器件要求的同時，等效氧化層厚度可以微縮到滿足業(yè)界要求的亞0.5納米水平，相對于商用HfO2、hBN、CaF2、熱氧化多晶α-Bi2SeO5等各種柵介質(zhì)，在等效厚度與絕緣性方面均具有優(yōu)勢（圖1d）。該項研究成果彌補了二維半導體在超薄柵介質(zhì)集成方面的短板，對二維電子器件的發(fā)展具有重要意義。
圖1.單晶自然氧化物柵介質(zhì)β-Bi2SeO5的制備與性質(zhì)。（a）二維Bi2O2Se紫外光輔助插層氧化轉(zhuǎn)化為單晶柵介質(zhì)β-Bi2SeO5示意圖；（b）晶圓級區(qū)域選擇性制備二維Bi2O2Se / Bi2SeO5異質(zhì)結(jié)；（c）二維Bi2O2Se /Bi2SeO5異質(zhì)結(jié)界面結(jié)構(gòu)；（d）β-Bi2SeO5的等效厚度（EOT：等效氧化層厚度；ECT：等效電容厚度）及絕緣性與其他柵介質(zhì)的對比。
該研究成果于2022年9月15日在線發(fā)表在《自然-電子學》（Nature Electronics 2022, https://doi.org/10.1038/s41928-022-00824-9）。北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授為該論文的通訊作者，第一作者為北京大學化學與分子工程學院博士研究生張亦弛。其他主要合作者還包括德州大學奧斯汀分校物理系賴柯吉教授、北京大學物理學院高鵬教授等。Nature Electronics期刊每期會挑選論文邀請作者撰寫研究簡介（Research Briefing），與研究論文同期在線刊出，方便讀者更好地理解重要成果。彭海琳教授和張亦弛同學代表論文作者發(fā)表了題為“Producing ultrathin monocrystalline native oxide dielectrics f2D transistors（為二維晶體管制備超薄單晶自然氧化物介電層）”的研究簡介，簡要介紹了此項研究的背景、過程、發(fā)現(xiàn)和意義。
該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、北京分子科學國家研究中心、騰訊基金會等機構(gòu)的資助，并得到了北京大學化學與分子工程學院分子材料與納米加工實驗室（MMNL）儀器平臺的支持。
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