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    我国学者在晶圆级范德华介电薄膜制备方面取得进展

    日期 2021-12-23   来源:化学科学部   作者:付雪峰 杨俊林  【 】   【打印】   【关闭

    图  (a)热蒸镀实现晶圆级范德华介电薄膜可控制备的示意图;(b)无机分子晶体的结构示意图;(c)四英寸范德华介电薄膜图片;(d)蒸镀工艺实现薄膜厚度精准可控;(e)以范德华薄膜作为介电材料和二维半导体MoS2作为沟道的场效应晶体管的器件示意图;(f)器件光学显微镜照片;(g)双栅调控下的场效应晶体管的转移特性曲线。

      在国家自然科学基金项目(批准号:21825103、51727809、11904154)等资助下,华中科技大学翟天佑教授团队在晶圆级范德华介电薄膜制备方面取得进展,相关研究成果以“基于无机分子晶体薄膜的晶圆级范德华介电材料(A wafer-scale van der Waals dielectric made from an inorganic molecular crystal film)”为题,于2021年12月21日发表在《自然电子学》(Nature Electronics)杂志上。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41928-021-00683-w#publish-with-us。

      二维材料具有原子级的厚度和优异的光电性能,在下一代光电子器件领域具有广阔的应用前景。然而,将二维材料与传统介电材料(如SiO2)进行器件集成时,介电材料表面的悬挂键和无序态会严重影响二维材料的性质,使得器件性能远逊于二维材料的本征性能。翟天佑教授团队另辟蹊径,利用无机分子晶体表面无悬挂键的结构特点,利用与半导体制备工艺兼容的热蒸镀方法实现了晶圆级范德华介电薄膜的可控制备,为高性能二维半导体器件的制备和规模化集成打开了全新的思路。

      无机分子晶体Sb2O3与石墨烯等层状二维材料不同,以无悬挂键的笼状小分子为结构单元,在三维方向上均由范德华力结合(图b)。在热蒸镀过程中,分子结构得以保持(图a),制备出的晶圆级介电薄膜表面无悬挂键(图c)。与SiO2等传统介电材料相比,无悬挂键的Sb2O3薄膜表面具有更少的载流子散射源和陷阱态,将其作为介电层与二维半导体构筑而成的场效应晶体管具有更高的迁移率和工作稳定性。对比实验中,单层MoS2场效应晶体管的迁移率从26提高到了 145 cm2V-1s-1,转移特性曲线的回滞则减小了一个数量级。蒸镀的Sb2O3分子在二维材料表面可形成超薄的致密薄膜,将其作为MoS2场效应晶体管的顶栅介电层(图e和f),可大幅提高栅极电容,展现出优异的栅控性能,晶体管的操作电压和功耗也都得到明显降低(图g),为二维材料应用于低功耗电子器件打下了基础。




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