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成果介绍
随着晶体管尺寸接近其物理极限，硅晶体管面临着显著的性能衰减问题，这主要是由于薄沟道材料的电性能衰减和短沟道效应导致的栅极控制困难。二维材料凭借其独特的物理特性，有望克服传统硅晶体管的局限性，扩展摩尔定律。然而，传统三维高
κ
电介质与二维半导体之间的不兼容性给二维场效应晶体管的开发带来了巨大挑战。特别是，超薄二维半导体通道对其周围单原子层内的无序非常敏感，这会放大二维场效应晶体管界面上的缺陷。这些缺陷，如界面上悬浮键吸附的杂质，不仅会降低器件性能，包括降低沟道载流子迁移率和削弱栅极控制效应，还可能导致器件不稳定，包括输出曲线延迟和阈值电压漂移。因此，开发具有原子平范德华（vdW）界面的电介质对于优化二维器件的性能至关重要。
层状范德华材料是二维场效应晶体管的理想电介质。有鉴于此，
中国科学院福建物质结构研究所刘伟研究员团队通过机械剥离法首次制备了AZBX（AZn
2
BO
3
X
2
，其中A=K
、
Rb，X=Cl
、
Br）薄膜，制备出了具有高介电常数（
约
13.5）和宽带隙（
约
5.6 eV）的AZn
2
BO
3
X
2
(AZBX)vdW介电薄膜。使用这些KZn
2
BO
3
Br
2
（KZBB）介质层制造的MoS
2
场效应晶体管（FET）显示出卓越的栅极控制能力和稳定性。特别是，KZBB/MoS
2
FET实现了超低的界面阱密度（Dit≈5.1×10
11
cm
-2
∙
eV
-1
）、陡峭的亚阈值摆动（SS≈73mV
∙
dec
-1
）和
极
小的
迟
滞（0-8 mV）。这些结果证实，AZBX薄膜具有惰性vdW接口，使其与二维半导体高度兼容。
图文导读
图1。二维层状KZBB单晶的结构表征。a)KZBB的晶体结构。b)KZBB沿c轴的二维层状结构，呈现阴离子和阳离子交替层。c)基于第一性原理计算的KZBB剥落面模拟。d)水热法生长的六方棱柱形KZBB单晶光学图像，尺度划分为1 mm。e)AZBX片晶的XRD图，证实了层状结构。
图2。二维层状AZBX薄膜的剥离与表征。a-d)剥离后的AZBX薄膜光学图像：(a)KZBC,(b)RZBC,(c)KZBB,(d)RZBB。比例尺为20μm。e)KZBB薄膜的原子力显微镜（AFM）图像，显示表面粗糙度。f)KZBB/MoS
2
异质结的TEM横截面图像和元素映射图，左上角为异质结的光学图像。比例尺为10μm。
图3。KZBB作为顶栅介质的介电性能。a)双栅石墨烯晶体管结构示意图。b)对应于(a)的KZBB/Gr/SiO
2
器件的光学图像。c)不同背栅电压（VBG）下，石墨烯电阻（Rs）与顶栅电压（VTG）的关系。d)顶栅极狄拉克电压（VTG,d）作为VBG的函数。e)KZBB薄膜在不同厚度下的介电常数。f)代表性准vdw介质带隙与介电常数的相关性。g)不同厚度KZBB薄膜的击穿曲线。h)剥落KZBB薄膜击穿场强与厚度的关系。i)在动态随机存取存储器（DRAM）标准=10
−7
A∙cm
−2
时，KZBB与其他代表性准vdw介质的漏电流比较。
图4.高质量顶栅KZBB/MoS
2
FET。a)具有18 nm厚KZBB层和几层MoS
2
的顶部栅极场效应晶体管的光学图像。b)IDS-VTG传输特性曲线。c)IDS-VDS输出特性曲线。d)VDS=0.5 V时IDS-VTG曲线的亚阈值摆幅(SS)。e)VDS=0.5 V时IDS-VTG曲线的滞后。f)KZBB/MoS
2
FET与其他先进准VdW MoS
2
FET的磁滞和漏电流特性比较。
文献信息
Layered Deep-UV Optical Crystal KZn₂BO₃Br₂ as a High-κ Dielectric for 2D Electronic Devices
(
