【儀表網 研發快訊】近日，哈工大深圳校區材料科學與工程學院徐成彥教授、集成電路學院秦敬凱副教授團隊在二維集成電路領域取得重要進展，相關成果以《面向二維半導體晶體管和集成電路應用的新型超薄鈮酸鎂高κ柵介質單晶材料》(Magnesium niobate as a high-κ gate dielectric for two-dimensional electronics)為題，發表于《自然電子學》(Nature Electronics)。該研究開發了基于超薄單晶鈮酸鎂高κ柵介質的二維場效應晶體管(FET)器件，突破了二維半導體材料與超薄單晶介電層的集成工藝和器件服役瓶頸，有效拓展了高可靠二維半導體晶體管和集成電路的實際應用。
 

　　隨著硅基芯片集成度的不斷提高，芯片中最基本單元—場效應晶體管(FET)的尺寸正逐漸逼近物理極限，面臨短溝道效應和柵極漏電等問題，嚴重阻礙了芯片性能的進一步提升。基于二維半導體溝道材料(如MoS2、WSe2等)的新架構晶體管器件具有優異的柵控能力和漏電控制，被認為是埃米時代高密度邏輯集成芯片的優選技術路線之一。發展與之匹配的新型高κ介電材料及集成技術，抑制界面缺陷態密度和載流子散射，并提高器件在實際服役環境下的可靠性，是構建二維材料集成電路芯片的關鍵。在二維晶體管器件結構中，通常采用薄膜沉積技術(如原子層沉積，ALD)在溝道表面沉積具有高介電常數的氧化物(如HfO2、Al2O3等)作為電介質層，但該方法會引入較高的缺陷密度和較差的界面質量，導致晶體管漏電流增加和溝道載流子散射等問題，進而影響晶體管性能。將單晶柵介質與二維溝道半導體進行范德華(vdW)異質集成是提高二維晶體管性能的有效途徑之一。因此，研究人員致力于開發具有高介電常數和高擊穿場強的新型二維電介質材料，以滿足低功耗二維集成電路的迫切需求。
 

　　基于此，徐成彥、秦敬凱團隊采用云母襯底緩釋與空間限域協同作用的制備方法，成功制備了具有原子級厚度的高質量MgNb2O6單晶薄膜。MgNb2O6單晶在寬溫度范圍內(300~500 K)內表現出極佳的綜合介電性能，包括高介電常數(15-20)、大擊穿強度(13-16 MV·cm−1)以及超過100年的擊穿壽命。基于超薄MgNb2O6單晶介電層，制備的頂柵結構單層MoS2場效應晶體管陣列器件表現出超過4×107的開關比，低至62 mV·dec−1的亞閾值擺幅(SS)、低至0.9 mV/(MV·cm−1) 的超小回滯以以及優異的溫度穩定性。在此基礎上，團隊還開發了基于MgNb2O6單晶柵介質的全二維短溝道(50 nm)反相器，并在1 V的驅動電壓下實現了13.3的電壓增益。團隊成員介紹說，本研究為開發高集成度、低功耗且適用于極端環境的二維集成電路提供了重要的解決方案。
 

　　MgNb2O6單晶薄膜的限域合成及應用。(a)MgNb2O6單晶薄膜合成機理圖；(b-c)MgNb2O6薄膜介電性能研究；(d)晶體管器件示意圖；(e)MgNb2O6與MoS2的界面表征；(f)MgNb2O6與MoS2的能級對齊圖；(g)不同溫度下晶體管器件的轉移特性曲線及回滯測試；(i)基于不同柵介質的晶體管器件的亞閾值擺幅和歸一化回滯對比；(h)短溝道反相器的電壓傳輸特性曲線。

 

　　哈工大深圳校區為論文第一完成單位和通訊單位。哈工大深圳校區集成電路學院秦敬凱副教授、材料科學與工程學院徐成彥教授、香港理工大學柴揚教授、復旦大學王競立副研究員為論文通訊作者。哈工大深圳校區博士研究生朱成義為論文第一作者，復旦大學博士生張夢如和哈工大深圳校區陳青助理研究員為論文共同第一作者。哈工大材料學院甄良教授、深圳校區集成電路學院趙維巍教授、湖南大學李佳副教授、南方科技大學周菲遲副教授以及上海交通大學司夢維副教授參與相關研究工作。該研究還得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、深圳市科技計劃等項目支持。