二維(2D)半導體，如二硫化鉬和黑磷，可以與硅技術(shù)競爭，因為它們的原子級厚度，優(yōu)異的物理性能，并與經(jīng)典的互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術(shù)兼容。實現(xiàn)大規(guī)模二維半導體集成電路的先決條件是原材料的高質(zhì)量和均勻性的大規(guī)模生產(chǎn)。硅晶片是通過切割大塊單晶錠獲得的，而大面積的二維半導體通常是通過自下而上的沉積方法獲得的。生長過程中引入的晶界和晶體缺陷等缺陷往往會導致電子性能的嚴重退化。絕緣襯底上的晶片級單晶2D半導體是非常需要的，但是它們的生長仍然是極具挑戰(zhàn)性的。

在過去的幾十年里，世界各地的電子工程師和材料科學家一直在研究各種材料在制造晶體管方面的潛力，晶體管是放大或切換電子設(shè)備中電信號的設(shè)備。眾所周知，二維 (2D) 半導體是制造新型電子設(shè)備特別有前途的材料。

盡管它們具有優(yōu)勢，但這些材料在電子產(chǎn)品中的使用在很大程度上取決于它們與高質(zhì)量電介質(zhì)、絕緣材料或電流不良導體材料的集成。然而，這些材料可能難以沉積在 2D半導體基板上。

南洋理工大學、北京大學、清華大學和北京量子信息科學研究院的研究人員最近展示了利用范德華力將單晶鍶滴定物(一種高 κ 鈣鈦礦氧化物)與二維半導體成功整合。他們發(fā)表在Nature Electronics上的論文可能為開發(fā)新型晶體管和電子元件開辟新的可能性。

“我們的工作主要受到2016 年發(fā)表在《自然材料》雜志上的一篇論文的啟發(fā)，”進行這項研究的兩位研究人員 Wang Xiao Renshaw 和 Allen Jian Yang 告訴 TechXplore。“這篇論文介紹了一種獨立的單晶鈣鈦礦薄膜的智能方法，這些薄膜通常被視為易碎的陶瓷，但具有豐富的功能。這種方法提供了將這些材料轉(zhuǎn)移到任意基板上并將它們與各種材料集成的機會。”

作為最有前途的鈣鈦礦氧化物之一，SrTiO 3具有極高的介電常數(shù)。然而，已發(fā)現(xiàn)將鈣鈦礦氧化物與具有不同原子結(jié)構(gòu)的材料集成幾乎是不可能的。

“通常，單晶鈣鈦礦氧化物和二維層狀半導體之間的晶格失配阻礙了高質(zhì)量氧化物覆蓋層的外延生長，”Renshaw 和 Yang 解釋道。“此外，單晶鈣鈦礦氧化物的生長條件涉及高溫和氧氣氣氛，對二維層狀半導體不利。但是，在我們的范德華集成過程中，鈣鈦礦氧化物生長在晶格匹配的氧化物上襯底，然后在室溫下轉(zhuǎn)移到二維層狀半導體上。”

Renshaw Wang、Yang 和他們的同事之前進行了幾項研究，重點是生長氧化物和二維電子產(chǎn)品的技術(shù)。基于他們在之前工作中取得的成果，他們開始嘗試將高 κ 鈣鈦礦氧化物和二維層狀半導體結(jié)合起來，以制造高性能晶體管。

為實現(xiàn)這一目標，研究人員在水溶性犧牲層上生長了高 κ 鈣鈦礦氧化物。隨后，他們將鈣鈦礦氧化物從該層中提取出來，并使用彈性體支撐(即聚二甲基硅氧烷或 PDMS)將其轉(zhuǎn)移到兩種類型的二維半導體上。他們專門使用了二硫化鉬和二硒化鎢，這兩種不同的二維半導體使他們能夠分別制造 n 型和 p 型晶體管。

Renshaw Wang 和 Yang 在一系列測試中評估了他們制造的晶體管，發(fā)現(xiàn)它們?nèi)〉昧孙@著的效果。具體而言，二硫化鉬晶體管在1 V 的電源電壓和 66 mV dec-1 的最小亞閾值擺幅下表現(xiàn)出 10 8的開/關(guān)電流比。

“我們成功地規(guī)避了高 κ 鈣鈦礦氧化物和二維半導體集成的限制，我們的方法可以實現(xiàn)幾乎無限的材料組合，”Renshaw Wang 和 Yang 說。“此外，我們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移的高 k鈣鈦礦氧化物和 MoS 2之間的界面質(zhì)量很高，因為它使我們能夠制造具有突然的亞閾值斜率的場效應晶體管。”

作為他們最近研究的一部分，研究人員表明，他們創(chuàng)建的晶體管可用于制造高性能和低功率互補金屬氧化物半導體逆變器電路。未來，他們的設(shè)備可以大規(guī)模生產(chǎn)，用于開發(fā)功耗更低的邏輯電路和微芯片。

“在我們接下來的研究中，我們將嘗試進一步提高高 k鈣鈦礦氧化物的質(zhì)量，以降低晶體管和邏輯門的電源電壓，”Renshaw 和 Yang 補充道。“與此同時，我們將監(jiān)測柵極泄漏電流，并在必要時采用緩沖層或雙高 k 氧化物來阻止柵極泄漏。”

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