【会员论文】Nano Lett.丨中科院苏州纳米所仲云雷，西北工业大学冯溪渊：CVD生长超薄二维β-Ga₂O₃中的超高介电常数

        中科院苏州纳米所仲云雷，西北工业大学冯溪渊等人 发表题为 “Ultrahigh Dielectric Permittivity in Ultrathin 2D β‑Ga₂O₃ for Advanced Dielectric Applications ”于Nano letters上。

        本研究首次报道了二维β-Ga₂O₃（β-氧化镓）在超薄（10 nm）尺度下展现出超高介电常数（k ≈ 150）的特性。通过光电响应与微观结构分析，发现该高介电性能源于氧空位有序结构的形成。基于该材料制备的金属-绝缘体-金属（MIM）电容器表现出优异的电学性能，包括低介电损耗（<0.02@100 kHz）、低漏电流（<10⁻⁷ A/cm²）、高工作频率（>20 MHz）以及超高循环耐久性（>10¹⁰次）。进一步，研究团队构建了以β-Ga₂O₃为栅介质的MoS₂场效应晶体管，展现出高开关比（>10⁶）、低亚阈值摆幅（68.1 mV/dec）、极低回滞（5.8 mV）和超低栅漏电流（~10⁻¹³ A）。该研究为下一代高k介电材料在逻辑与存储器件中的应用提供了新方向。

背景

        随着半导体器件尺寸缩减至纳米级，传统SiO₂栅介质的物理厚度已逼近量子隧穿极限，导致漏电流激增与功耗上升。引入高介电常数（high-k）材料成为延续摩尔定律的关键策略。尽管HfO₂等材料已被广泛应用，其介电常数通常仅为~50，难以满足未来更高集成度与更低功耗的需求。因此，开发新型高k材料，尤其在二维尺度下仍能保持高介电性能，是当前研究热点。β-Ga₂O₃作为一种超宽带隙半导体，具备良好的热稳定性与化学稳定性，但其在二维尺度下的介电性能尚未被系统研究。

主要内容

        本研究系统探究了二维β-Ga₂O₃在超薄尺度下的介电性能，发现其在10 nm厚度下仍具备高达~150的介电常数，远超现有主流高k材料。通过光电响应测试发现其具有显著持续光电导（PPC）效应，表明材料中存在深能级缺陷，主要为氧空位（V_O）。进一步通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）与快速傅里叶变换（FFT）分析，发现材料内部存在有序的氧空位超结构，破坏了局部晶体对称性，诱导出强局域偶极矩，从而显著增强介电极化响应。

        基于该材料制备的MIM电容器在1 kHz–1 MHz频率范围内展现出稳定的介电常数（~150）与极低的等效氧化层厚度（EOT ≈ 0.6 nm），介电损耗在100 kHz下低于0.02，漏电流密度低于10⁻⁷ A/cm²。器件在±2V、50 ns脉冲下循环超过10¹⁰次后性能无明显退化，击穿电场高达~7 MV/cm，表现出优异的耐久性与可靠性。

        进一步，研究团队构建了MoS₂/β-Ga₂O₃异质结构FET，采用~25 nm厚的β-Ga₂O₃作为顶栅介质。该器件展现出高达10⁶的开关比，亚阈值摆幅为68.1 mV/dec，回滞仅为5.8 mV，栅漏电流低至10⁻¹³ A，表现出接近理想的栅控能力与界面质量。即使在沟道长度缩短至40 nm时，器件仍保持良好的开关特性与低DIBL（~−42.2 mV/V），验证其在高集成度逻辑器件中的应用潜力。

实验细节概括

        β-Ga₂O₃纳米片通过常压化学气相沉积（CVD）方法合成，前驱体为金属镓粉，生长温度1000°C，云母衬底置于下游8 cm处，氩气/CO₂混合气体作为载气，生长时间10分钟。所得样品呈规则矩形，厚度均匀，拉曼光谱显示其特征峰与单斜相β-Ga₂O₃一致。

        MoS₂ FET器件制备采用机械剥离法将MoS₂转移至预图形化的源漏电极上，再通过PDMS辅助干法转移β-Ga₂O₃片作为栅介质，最后通过电子束光刻与热蒸发制备顶栅电极。所有电学测试在真空（10⁻⁴ Torr）下进行，转移特性测试栅压范围为±3 V，漏压范围为0–3 V。亚阈值摆幅与回滞通过双扫Id-Vg曲线提取，栅漏电流同步监测。

创新点

        1.首次发现二维β-Ga₂O₃在超薄尺度下具备超高介电常数（~150），远超现有高k材料。

        2.揭示氧空位有序结构为高介电性能的起源，通过HRTEM与FFT确认其诱导局域偶极矩增强极化响应。

        3.构建基于β-Ga₂O₃的MIM电容器，实现超低EOT（~0.6 nm）、低损耗（<0.02）、高循环耐久性（>10¹⁰次）。

        4.实现MoS₂/β-Ga₂O₃异质结构FET，展现出高开关比（>10⁶）、低SS（68.1 mV/dec）、极低回滞（5.8 mV）与超低栅漏电流（10⁻¹³ A）。

        5.验证其在短沟道器件中的适用性，40 nm沟道长度下仍保持良好栅控能力与低DIBL（~−42.2 mV/V）。

结论

        本研究首次揭示了二维β-Ga₂O₃在超薄尺度下的超高介电性能，并系统验证其在存储与逻辑器件中的应用潜力。通过氧空位有序结构的形成，材料展现出强极化响应与稳定的高介电常数。基于该材料构建的MIM电容器与MoS₂ FET器件均表现出优异的电学性能，满足未来高集成度、低功耗电子器件的需求。该研究不仅拓展了二维高k介电材料的研究边界，也为下一代逻辑与存储技术提供了新的材料平台。