集成高 k 钙钛矿氧化物和二维半导体的新型晶体管

二维(2D)半导体，如二硫化钼和黑磷，可以与硅技术竞争，因为它们的原子级厚度，优异的物理性能，并与经典的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术兼容。实现大规模二维半导体集成电路的先决条件是原材料的高质量和均匀性的大规模生产。硅晶片是通过切割大块单晶锭获得的，而大面积的二维半导体通常是通过自下而上的沉积方法获得的。生长过程中引入的晶界和晶体缺陷等缺陷往往会导致电子性能的严重退化。绝缘衬底上的晶片级单晶2D半导体是非常需要的，但是它们的生长仍然是极具挑战性的。

在过去的几十年里，世界各地的电子工程师和材料科学家一直在研究各种材料在制造晶体管方面的潜力，晶体管是放大或切换电子设备中电信号的设备。众所周知，二维 (2D) 半导体是制造新型电子设备特别有前途的材料。

尽管它们具有优势，但这些材料在电子产品中的使用在很大程度上取决于它们与高质量电介质、绝缘材料或电流不良导体材料的集成。然而，这些材料可能难以沉积在 2D半导体基板上。

南洋理工大学、北京大学、清华大学和北京量子信息科学研究院的研究人员最近展示了利用范德华力将单晶锶滴定物(一种高 κ 钙钛矿氧化物)与二维半导体成功整合。他们发表在Nature Electronics上的论文可能为开发新型晶体管和电子元件开辟新的可能性。

“我们的工作主要受到2016 年发表在《自然材料》杂志上的一篇论文的启发，”进行这项研究的两位研究人员 Wang Xiao Renshaw 和 Allen Jian Yang 告诉 TechXplore。“这篇论文介绍了一种独立的单晶钙钛矿薄膜的智能方法，这些薄膜通常被视为易碎的陶瓷，但具有丰富的功能。这种方法提供了将这些材料转移到任意基板上并将它们与各种材料集成的机会。”

作为最有前途的钙钛矿氧化物之一，SrTiO 3具有极高的介电常数。然而，已发现将钙钛矿氧化物与具有不同原子结构的材料集成几乎是不可能的。

“通常，单晶钙钛矿氧化物和二维层状半导体之间的晶格失配阻碍了高质量氧化物覆盖层的外延生长，”Renshaw 和 Yang 解释道。“此外，单晶钙钛矿氧化物的生长条件涉及高温和氧气气氛，对二维层状半导体不利。但是，在我们的范德华集成过程中，钙钛矿氧化物生长在晶格匹配的氧化物上衬底，然后在室温下转移到二维层状半导体上。”

Renshaw Wang、Yang 和他们的同事之前进行了几项研究，重点是生长氧化物和二维电子产品的技术。基于他们在之前工作中取得的成果，他们开始尝试将高 κ 钙钛矿氧化物和二维层状半导体结合起来，以制造高性能晶体管。

为实现这一目标，研究人员在水溶性牺牲层上生长了高 κ 钙钛矿氧化物。随后，他们将钙钛矿氧化物从该层中提取出来，并使用弹性体支撑(即聚二甲基硅氧烷或 PDMS)将其转移到两种类型的二维半导体上。他们专门使用了二硫化钼和二硒化钨，这两种不同的二维半导体使他们能够分别制造 n 型和 p 型晶体管。

Renshaw Wang 和 Yang 在一系列测试中评估了他们制造的晶体管，发现它们取得了显着的效果。具体而言，二硫化钼晶体管在1 V 的电源电压和 66 mV dec-1 的最小亚阈值摆幅下表现出 10 8的开/关电流比。

“我们成功地规避了高 κ 钙钛矿氧化物和二维半导体集成的限制，我们的方法可以实现几乎无限的材料组合，”Renshaw Wang 和 Yang 说。“此外，我们发现转移的高 k钙钛矿氧化物和 MoS 2之间的界面质量很高，因为它使我们能够制造具有突然的亚阈值斜率的场效应晶体管。”

作为他们最近研究的一部分，研究人员表明，他们创建的晶体管可用于制造高性能和低功率互补金属氧化物半导体逆变器电路。未来，他们的设备可以大规模生产，用于开发功耗更低的逻辑电路和微芯片。

“在我们接下来的研究中，我们将尝试进一步提高高 k钙钛矿氧化物的质量，以降低晶体管和逻辑门的电源电压，”Renshaw 和 Yang 补充道。“与此同时，我们将监测栅极泄漏电流，并在必要时采用缓冲层或双高 k 氧化物来阻止栅极泄漏。”