半導體學院在二維半導體超薄介電層集成技術研究取得重要進展

近日，湖南大學半導體學院（集成電路學院）和物理與微電子科學學院合作，利用范德華集成策略，結合原子尺度二維硫化鉿的物性轉變，獲得了超薄氧化鉿介電層和絕對理想的柵介質/半導體界面，突破了二維電子器件超薄介電層集成的瓶頸，有望推動二維集成電路的發展。該成果以「Molybdenum disulfide transistors with enlarged van der Waals gaps at their dielectric interface via oxygen accumulation」為題發表在國際頂級電子學期刊《Nature Electronics》上。

二維半導體有着化學惰性的表面，通常缺乏懸掛鍵和親水基團，這使得超薄介電材料的異質集成面臨巨大挑戰。同時，為了保持低的晶體管製備溫度，柵極介質材料多為非晶態，這導致了高的介質/溝道界面缺陷態密度，造成大的晶體管回滯電壓。因此，尋找新的技術方案來優化二維半導體與柵極介質之間的界面，在不損傷溝道本徵性能的前提下，實現高質量柵極界面，對新型半導體器件的構建至關重要。

器件的結構表徵和基礎性能。

當距離超過3埃時，兩種材料間的耦合作用會極大減弱並形成一個接近物理吸附的界面。此時，兩種材料的電子性質不再相互影響，介質缺陷與溝道層之間的耦合作用將被極大削弱，並保留各自固有的電學特性。通過范德華異質集成，巧妙地在柵極絕緣層和MoS2溝道之間構建了寬度達到5.3埃的范德華間隙（圖1），有效的拉開了半導體溝道層與柵極絕緣層的距離，實現了准物理吸附的異質界面，去除了柵極缺陷與溝道之間的缺陷耦合，獲得了回滯電壓低至10 mV、亞閾值擺幅接近理論極限的MoS2頂柵晶體管。基於該晶體管優良的電學性能，組裝了或、與、非邏輯門電路，並實現超高的電壓增益。

劉興強教授和廖蕾教授、博士後秦文靜以及武漢大學何軍教授是該工作的共同通訊作者，湖南大學為第一通訊單位。碩士研究生羅鵬飛和博士研究生柳暢為文章共同第一作者。該工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金和湖南省自然科學基金等項目的支持。

來源 | 半導體學院（集成電路學院）

通訊員 | 柳暢

實習編輯 | 李昊

責任編輯 | 覃文增 唐思