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顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-09-23 08:30

正文

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研究背景

随着二维（2D）半导体在场效应晶体管（FET）中的应用逐渐增多，超薄栅绝缘层因其能够提供高界面质量和介电可靠性而成为研究热点。然而，现有的二维绝缘材料在带隙、击穿强度、介电常数、漏电流和偏置温度稳定性等方面未能达到理想的折中，限制了其在微型电路中的应用。传统的高介电常数氧化物薄膜，如氧化铪（HfO ₂ ）和氧化钛（TiO ₂ ），在缩小至纳米级时往往结晶为含有丰富缺陷的非晶相，导致电气性能下降。此外，当前的晶体介电材料在热稳定性和电气可靠性方面表现不佳，这使得在高温和高电压条件下的应用面临挑战。

成果简介

有鉴于此， 哈尔滨工业大学（深圳）秦敬凯和徐成彦团队联合香港理工大学柴扬和复旦大学王竞立团队 携手在Nature Electronics期刊上发表了题为“Magnesium niobate as a high-κ gate dielectric for two-dimensional electronics”的最新论文。研究表明，镁铌氧石（MgNb ₂ O ₆ ）是一种具有优良介电性能的材料，通过缓冲控制的外延生长工艺可以合成原子级薄的单晶MgNb ₂ O ₆ 。

研究表明，MgNb ₂ O ₆ 具有宽带隙（约5.0 eV）、高介电常数（约20）和大击穿电压（约16 MV cm ⁻¹ ），并能与单层二硫化钼（MoS ₂ ）形成低缺陷态密度的范德瓦尔斯界面。此材料的出色电气性能使其成为未来低功耗晶体管和超缩放集成电路的潜在候选者。这些发现为高性能二维电子器件的设计与制造提供了新的思路，推动了该领域的发展。

研究亮点

（1）实验首次通过缓冲控制外延生长工艺在云母基底上合成了纳米厚度的镁铌氧石（MgNb ₂ O ₆ ）单晶，获得了原子级平坦的表面和优异的介电性能。

（2）实验通过对MgNb ₂ O ₆ 的特性分析，得到了以下结果：

MgNb ₂ O ₆ 展现出宽带隙（约5.0 eV）、高介电常数（约20）和大击穿电压（约16 MV cm ⁻¹ ），显示出良好的热稳定性和电气可靠性。
将MgNb ₂ O ₆ 作为栅介电材料与单层二硫化钼（MoS2）结合，所制备的场效应晶体管（FET）表现出低于0.9 mV（MV cm ⁻¹ ） ⁻¹ 的滞后、62 mV dec ⁻¹ 的亚阈值摆幅，以及高达4 × 10 ⁷ 的开关电流比。
该器件在500 K下保持高电气可靠性，满足低功耗晶体管的国际需求。
MgNb ₂ O ₆ 的优异静电可控性使得能够制造接触石墨烯的短通道FET和通道长度为50 nm的反相器电路，为未来集成电路的开发提供了新的可能性。

图文解读

图1：MgNb ₂ O ₆ 材料表征和DFT计算。

图2. 超薄MgNb ₂ O ₆ 介电性能。

图3. 基于高介电常数κ的MgNb ₂ O ₆ 电介质，二硫化钼MoS2 场效应晶体管field-effect transistors，FET的电特性。

图4: 基于MgNb ₂ O ₆ 电介质，短沟道MoS2 场效应晶体管FET和逆变器电路 。

结论展望

本文展示了镁铌氧石（MgNb ₂ O ₆ ）作为一种新型超薄介电材料的潜力，强调了其在二维半导体器件中的重要应用。研究表明，MgNb ₂ O ₆ 不仅具备宽带隙、高介电常数和大击穿电压，还具有极低的电活性缺陷密度，这些特性使其成为理想的栅介电材料。通过缓冲控制的外延生长工艺，我们成功地在云母基底上合成了原子级薄的MgNb ₂ O ₆ 单晶，进一步提升了其电气性能。

这一研究为未来的二维场效应晶体管（FET）和集成电路的设计提供了新的方向，尤其是在实现超小尺度和高可靠性方面。随着科技的进步，二维材料的范德瓦尔斯集成策略将为下一代电子设备的发展带来革命性的变化。通过将MgNb ₂ O ₆ 与单层二硫化钼（MoS2）结合，研究不仅提升了器件的操作性能，也为在极端条件下的应用奠定了基础。

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