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成果簡(jiǎn)介

互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體（complementary metal-oxide-semiconductor）技術(shù)的縮小已在電子學(xué)上取得了突破，但是更極端的縮小已經(jīng)撞上了器件性能下降的墻壁。目前，高介電常數(shù)、寬禁帶和高隧道質(zhì)量絕緣子的研制是研究的難點(diǎn)之一。

基于此，武漢大學(xué)何軍教授和郭宇錚教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了利用粒子群優(yōu)化（PSO）算法和理論計(jì)算相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了超薄五氧化二釓（Gd₂O₅）單晶，并通過(guò)范德華（vdW）外延技術(shù)合成了二維（2D）Gd₂O₅單晶，同時(shí)具有約25.5的高介電常數(shù)和寬帶隙。

得益于層狀超級(jí)單體結(jié)構(gòu)和高κ值，2D Gd₂O₅的等效氧化物厚度（EOT）低至1 nm，即使在5 MV cm^-1下也具有約10^-4 A cm^-2的超低泄漏，幾乎是各種高κ值電介質(zhì)中所能達(dá)到的最佳性能。此外，單晶Gd₂O₅可通過(guò)范德華力與層狀半導(dǎo)體集成，構(gòu)建了高質(zhì)量的介電通道接口，從而實(shí)現(xiàn)高性能的2D晶體管。在低工作電壓（V_DS=0.5 V和V_GS=0.4 V）下，所制備的MoS₂晶體管具有超過(guò)10⁸的高開/關(guān)比、接近玻爾茲曼極限的亞閾值擺幅（SS）以及優(yōu)異的短通道效應(yīng)（SCE）抗擾度。作者還表明該器件可用于構(gòu)建具有接近40的高增益和幾納瓦的低功耗的逆變電路。

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相關(guān)工作以《High-κ monocrystalline dielectrics for low-power two-dimensional electronics》為題在《Nature Materials》上發(fā)表。值得注意的是，本論文從2023年10月23日開始投稿，直到2024年10月8日接收，歷時(shí)350天，近1年！

何軍，武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)，教授/博士生導(dǎo)師，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者、科技部重大研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家、中組部“萬(wàn)人計(jì)劃”中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,享受國(guó)務(wù)院特殊津貼專家。

郭宇錚，武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院副院長(zhǎng)，工業(yè)科學(xué)研究院、電氣與自動(dòng)化學(xué)院教授，儲(chǔ)能與新能源系系主任。

圖文解讀

在PSO算法搜索發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行從頭算分子動(dòng)力學(xué)模擬，將所提出的結(jié)構(gòu)在2000 K熔化，然后從2000 K退火到300 K，以進(jìn)一步探索可能的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。最后，通過(guò)第一性原理計(jì)算優(yōu)化確定了形成能為-0.6 eV的兩種晶體結(jié)構(gòu)，即Gd₂O₃和Gd₂O₅。通過(guò)密度泛函理論（DFT）計(jì)算Gd₂O₃和Gd₂O₅的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度（DOS），發(fā)現(xiàn)Gd₂O₅具有比Gd₂O₃更寬的帶隙。

由于其氧含量較低，Gd₂O₃主要表現(xiàn)為Gd原子的導(dǎo)帶貢獻(xiàn)，而在Gd₂O₅中兩種元素的導(dǎo)帶貢獻(xiàn)更為平衡。DFT計(jì)算表明，Gd₂O₃和Gd₂O₅兩種晶體的介電常數(shù)的電子貢獻(xiàn)是相似的，但Gd₂O₅的離子貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于電貢獻(xiàn)。因此，Gd2O5晶體可合理地同時(shí)具有較寬的帶隙和較高的介電常數(shù)。

圖1.理論計(jì)算

圖2. 2D Gd₂O₅的生長(zhǎng)與表征

約32 nm Gd₂O₅的有效介電常數(shù)（ε_eff）在50 kHz時(shí)約為25.5，隨著外加頻率的增加逐漸減小。對(duì)比大多數(shù)晶體介質(zhì)（h-BN、Bi₂SeO₅和Sb₂O₃），Gd₂O₅具有更高的ε_eff和更寬的帶隙。同時(shí)，Gd₂O₅隨著厚度的減小，ε_eff呈下降趨勢(shì)。不同厚度Gd₂O₅的垂直MIM器件的擊穿場(chǎng)強(qiáng)（E_BD）范圍為6.9-15.7 MV cm^-1，證明了2D Gd₂O₅作為電介質(zhì)的可靠性。對(duì)于5.2 nm厚的Gd₂O₅（EOT約1 nm），即使在施加5 MV cm^-1的電場(chǎng)下，約10^-4 A cm^-2的漏電流密度也小于低功率極限（1.5×10^-2 A cm^-2）。

圖3. 2D Gd₂O₅的介電和鐵電性能

將Gd₂O₅單晶與2D半導(dǎo)體集成，作者利用范德華力實(shí)現(xiàn)頂門控晶體管。晶體管通道區(qū)域的STEM橫截面圖像和EDS映射，vdW間隙約為4.1 ?，界面干凈，沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)紊亂。光學(xué)顯微鏡（OM）和原子力顯微鏡（AFM）顯示，利用8.5 nm厚Gd₂O₅介質(zhì)和石墨頂電極制備的MoS₂場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）在0.4至-0.6 V的超窄V_GS范圍內(nèi)具有高達(dá)約10⁸的高開/關(guān)比和61.5 mV dec^-1的低SS。

對(duì)于多個(gè)頂門控MoS₂晶體管的SS和開/關(guān)比，大多數(shù)晶體管的開/關(guān)比超過(guò)10⁸，接近玻爾茲曼極限SS。由兩個(gè)頂門控MoS₂ FET串聯(lián)組成的逆變器具有接近40的高增益和幾納瓦的低功耗，可與已報(bào)道的大多數(shù)MoS₂逆變器媲美。此外，作者還制作了以Gd₂O₅為介質(zhì)的短溝道MoS₂ FET，具有優(yōu)異的傳輸和輸出特性（L_ch≈35 nm，t_ox=8.7 nm），實(shí)現(xiàn)了10⁷的高開/關(guān)比和75 mV dec^-1的陡SS，表明對(duì)SCEs具有有效的屏蔽作用。

圖4.用于高性能2D晶體管的Gd₂O₅電介質(zhì)

文獻(xiàn)信息

High-κ monocrystalline dielectrics for low-power two-dimensional electronics. Nature Materials, 2024,

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/11/08/23052e3ff7/

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