【国际时事】增强二维晶体管介电层的新方法——开辟器件发展新方向

资料来源：Yi et al.

        基于二维 (2D) 半导体，如二硫化钼（MoS₂）和二硒化钨（WSe₂）的晶体管相比传统硅基晶体管，不仅性能更优，同时更易于缩小尺寸。然而，这类晶体管需要优质的介电材料作为支撑，而高质量的介电层制备一直是一个挑战。

        近日，新加坡南洋理工大学和南京航空航天大学的研究团队提出了一种新颖策略，用于制备这些晶体管的介电材料。相关论文发表在学术期刊 Nature Electronics 中，使用该方法成功地在 MoS₂ 表面沉积了一层超薄且均匀的氧化镓（Ga₂O₃）原生氧化物。

突破传统制备方法的瓶颈

        该论文第一作者 Kongyang Yi 在接受采访时表示“如原子层沉积的传统介电层制备方法因二维半导体表面缺乏足够的成核点，在制备厚度达到几纳米时常遇到质量问题。早在 2017 年，有一篇开创性论文提出了从液态金属制备超薄均匀氧化物的方法。受此启发，我开始思考这些氧化物是否能被用于二维半导体晶体管的介电层，解决上述问题。”

        在此前研究的基础上，Kongyang Yi 及其团队尝试利用氧化镓（Ga₂O₃）的优异介电性能，开发一种可靠的方法将其集成到二维晶体管中，作为介电层并评估其性能。

        Kongyang Yi 解释说明“我们提出了一种独特的表面张力驱动方法，制备大规模氧化镓薄层，这一过程分为几个步骤。首先，将一滴液态镓压在目标衬底上并将其冷却至固态，形成一层非常薄的固态镓薄膜。其次，对其进行快速加热。

        当加热样品时，固态镓薄膜会瞬间熔化。由于液态金属具有极强的表面张力，熔化的镓会自动聚集，并将其原生氧化层沉积到衬底表面上。

        Kongyang Yi 说明 “我们的方法能够轻松在二维半导体表面制备超薄且均匀的高质量氧化物，而避免了传统沉积方法可能带来的问题。基于这一方法，我们团队成功地在 MoS₂ 表面直接制备了超薄均匀的 Ga₂O₃，并据此制作了晶体管。

        研究团队通过一系列测试验证了其金属氧化物介电层的潜力。他们发现，厚度低于 3 纳米的超薄均匀 Ga₂O₃ 可通过范德瓦耳斯互作用轻松集成到 MoS₂ 晶体管中。基于此策略制备的二维晶体管表现出亚阈值摆幅低至 60 mV dec⁻¹、开关比达到 10⁸ 和栅极漏电流仅约为 4 × 10⁻⁷ A cm⁻² 的卓越性能。

        这一方法的关键优势在于能够轻松获得高质量的范德瓦耳斯界面，从而提升器件性能。同时，该方法操作简单，有助于二维晶体管的大规模制造。

        “近年来，其他研究也探索了原生氧化镓在厚度控制和大规模制备中的潜力。我们相信，随着未来技术的进一步改进，这种氧化物可用于制造各种电子器件。” Kongyang Yi 说道。

        该研究为基于氧化镓介电层的二维晶体管制造开辟了新方向。未来，研究团队提出的这种集成方法还可用于制造功能更广泛的复杂电路。

        Kongyang Yi 补充“我们目前正计划改进表面张力驱动方法。目前，这一方法主要通过人工操作实现，与传统方法相比，在晶圆级制备上的表现仍需完善。我们希望未来能够实现整片晶圆上的高质量制备，并展示例如集成电路等更多的晶圆级应用。”

更多信息：Kongyang Yi et al, Integration of high-κ native oxides of gallium for two-dimensional transistors, Nature Electronics (2024).

DOI: 10.1038/s41928-024-01286-x.

期刊信息：Nature Electronics