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2020年1月22日
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南京大學成功研制超薄柵介質層的二維晶體管器件

欧美高清videosedexohd二維半導體材料具有非零帶隙、極限溝道厚度、高遷移率等特點,可以顯著增加柵極調控能力,是有希望繼續延伸摩爾定律的新型電子材料。然而,由于二維材料表面無懸掛鍵,無法利用傳統原子層沉積工藝沉積高質量柵極介質層,導致界面態和等效氧化層厚度(EOT)遠高于硅基CMOS晶體管。因此,開發針對二維材料的高質量、超薄、并且與大面積工藝兼容的介質層集成工藝,是二維電子器件應用的關鍵瓶頸之一。

為了解決上述難題,南京大學王欣然、施毅教授團隊開展國際合作,利用了二維材料與分子之間的范德瓦爾斯作用,以0.3納米厚的單層分子晶體作為界面層,在二維材料上成功實現了高質量、超薄high-κ介質層沉積技術。憑借該技術,團隊首次在石墨烯、MoS2和WSe2欧美高清videosedexohd等二維材料上實現了1 nm EOT,并具備原子級的平整度、低界面態密度和高擊穿電場。重要的是,介質層的漏電流密度與CMOS水平相當,滿足了國際半導體技術路線圖對低功耗邏輯晶體管的要求。

超薄high-k介質層在二維材料上的沉積,及其低功耗晶體管(摘自Nature Electronics (2019) doi:10.1038/s41928-019-0334-y)

欧美高清videosedexohd利用分子輔助的超薄介質層沉積技術,研究人員將二維半導體場效應晶體管的亞閾值擺幅降至60 mV/dec的理論極限,工作電壓降至0.8 V,并且在20 nm溝道長度下未發現顯著的短溝道效應。進一步,實現了功耗小于1 nW的二維CMOS邏輯反相器,并通過石墨烯射頻器件驗證了介質層可以工作在10 GHz以上。值得指出的是,該技術適用于多種二維材料,并兼容大面積化學氣相沉積樣品。

此項研究突破了二維電子器件超薄介電層集成這一瓶頸,有望推動二維集成電路的發展,該工作以《Uniform and ultrathin high-κ gate dielectrics for two-dimensional electronic devices》為題近期發表于Nature Electronics。參與合作的單位包括加州大學洛杉磯分校Xiangfeng Duan教授、新加坡國立大學Wei Chen教授、東京大學K. Nagashio教授、南京大學王鵬和馬海波教授、中電55所陳堂勝研究員等課題組。該研究得到了基金委重點項目、創新群體項目、應急管理項目、科技部量子調控青年科學家專題以及中科院戰略性先導科技專項等項目的資助。

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