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成果簡介

互補金屬-氧化物-半導體（complementary metal-oxide-semiconductor）技術的縮小已在電子學上取得了突破，但是更極端的縮小已經撞上了器件性能下降的墻壁。目前，高介電常數、寬禁帶和高隧道質量絕緣子的研制是研究的難點之一。

基于此，武漢大學何軍教授和郭宇錚教授（共同通訊作者）等人報道了利用粒子群優化（PSO）算法和理論計算相結合的方法設計了超薄五氧化二釓（Gd₂O₅）單晶，并通過范德華（vdW）外延技術合成了二維（2D）Gd₂O₅單晶，同時具有約25.5的高介電常數和寬帶隙。

得益于層狀超級單體結構和高κ值，2D Gd₂O₅的等效氧化物厚度（EOT）低至1 nm，即使在5 MV cm^-1下也具有約10^-4 A cm^-2的超低泄漏，幾乎是各種高κ值電介質中所能達到的最佳性能。此外，單晶Gd₂O₅可通過范德華力與層狀半導體集成，構建了高質量的介電通道接口，從而實現高性能的2D晶體管。在低工作電壓（V_DS=0.5 V和V_GS=0.4 V）下，所制備的MoS₂晶體管具有超過10⁸的高開/關比、接近玻爾茲曼極限的亞閾值擺幅（SS）以及優異的短通道效應（SCE）抗擾度。作者還表明該器件可用于構建具有接近40的高增益和幾納瓦的低功耗的逆變電路。

相關工作以《High-κ monocrystalline dielectrics for low-power two-dimensional electronics》為題在《Nature Materials》上發表。值得注意的是，本論文從2023年10月23日開始投稿，直到2024年10月8日接收，歷時350天，近1年！

何軍，武漢大學物理科學與技術學院院長，教授/博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者、科技部重大研發計劃首席科學家、中組部“萬人計劃”中青年科技創新領軍人才、科技部中青年科技創新領軍人才,享受國務院特殊津貼專家。

郭宇錚，武漢大學動力與機械學院副院長，工業科學研究院、電氣與自動化學院教授，儲能與新能源系系主任。

圖文解讀

在PSO算法搜索發現結構上，進行從頭算分子動力學模擬，將所提出的結構在2000 K熔化，然后從2000 K退火到300 K，以進一步探索可能的穩定結構。最后，通過第一性原理計算優化確定了形成能為-0.6 eV的兩種晶體結構，即Gd₂O₃和Gd₂O₅。通過密度泛函理論（DFT）計算Gd₂O₃和Gd₂O₅的能帶結構和態密度（DOS），發現Gd₂O₅具有比Gd₂O₃更寬的帶隙。

由于其氧含量較低，Gd₂O₃主要表現為Gd原子的導帶貢獻，而在Gd₂O₅中兩種元素的導帶貢獻更為平衡。DFT計算表明，Gd₂O₃和Gd₂O₅兩種晶體的介電常數的電子貢獻是相似的，但Gd₂O₅的離子貢獻遠高于電貢獻。因此，Gd2O5晶體可合理地同時具有較寬的帶隙和較高的介電常數。

圖1.理論計算

圖2. 2D Gd₂O₅的生長與表征

約32 nm Gd₂O₅的有效介電常數（ε_eff）在50 kHz時約為25.5，隨著外加頻率的增加逐漸減小。對比大多數晶體介質（h-BN、Bi₂SeO₅和Sb₂O₃），Gd₂O₅具有更高的ε_eff和更寬的帶隙。同時，Gd₂O₅隨著厚度的減小，ε_eff呈下降趨勢。不同厚度Gd₂O₅的垂直MIM器件的擊穿場強（E_BD）范圍為6.9-15.7 MV cm^-1，證明了2D Gd₂O₅作為電介質的可靠性。對于5.2 nm厚的Gd₂O₅（EOT約1 nm），即使在施加5 MV cm^-1的電場下，約10^-4 A cm^-2的漏電流密度也小于低功率極限（1.5×10^-2 A cm^-2）。

圖3. 2D Gd₂O₅的介電和鐵電性能

將Gd₂O₅單晶與2D半導體集成，作者利用范德華力實現頂門控晶體管。晶體管通道區域的STEM橫截面圖像和EDS映射，vdW間隙約為4.1 ?，界面干凈，沒有任何結構紊亂。光學顯微鏡（OM）和原子力顯微鏡（AFM）顯示，利用8.5 nm厚Gd₂O₅介質和石墨頂電極制備的MoS₂場效應晶體管（FET）在0.4至-0.6 V的超窄V_GS范圍內具有高達約10⁸的高開/關比和61.5 mV dec^-1的低SS。

對于多個頂門控MoS₂晶體管的SS和開/關比，大多數晶體管的開/關比超過10⁸，接近玻爾茲曼極限SS。由兩個頂門控MoS₂ FET串聯組成的逆變器具有接近40的高增益和幾納瓦的低功耗，可與已報道的大多數MoS₂逆變器媲美。此外，作者還制作了以Gd₂O₅為介質的短溝道MoS₂ FET，具有優異的傳輸和輸出特性（L_ch≈35 nm，t_ox=8.7 nm），實現了10⁷的高開/關比和75 mV dec^-1的陡SS，表明對SCEs具有有效的屏蔽作用。

圖4.用于高性能2D晶體管的Gd₂O₅電介質

文獻信息

High-κ monocrystalline dielectrics for low-power two-dimensional electronics. Nature Materials, 2024,

原創文章，作者：zhan1，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/11/08/23052e3ff7/

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