近日，半導(dǎo)體學(xué)院（集成電路學(xué)院）和物理與微電子科學(xué)學(xué)院合作，利用范德華集成策略，結(jié)合原子尺度二維硫化鉿的物性轉(zhuǎn)變，獲得了超薄氧化鉿介電層和絕對理想的柵介質(zhì)/半導(dǎo)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(fā)展。該成果以“Molybdenum disulfide transistors with enlarged van der Waals gaps at their dielectric interface via oxygen accumulation”為題發(fā)表在國際頂級電子學(xué)期刊《Nature Electronics》上。

二維半導(dǎo)體有著化學(xué)惰性的表面，通常缺乏懸掛鍵和親水基團(tuán)，這使得超薄介電材料的異質(zhì)集成面臨巨大挑戰(zhàn)。同時，為了保持低的晶體管制備溫度，柵極介質(zhì)材料多為非晶態(tài)，這導(dǎo)致了高的介質(zhì)/溝道界面缺陷態(tài)密度，造成大的晶體管回滯電壓。因此，尋找新的技術(shù)方案來優(yōu)化二維半導(dǎo)體與柵極介質(zhì)之間的界面，在不損傷溝道本征性能的前提下，實現(xiàn)高質(zhì)量柵極界面，對新型半導(dǎo)體器件的構(gòu)建至關(guān)重要。

器件的結(jié)構(gòu)表征和基礎(chǔ)性能

當(dāng)距離超過3埃時，兩種材料間的耦合作用會極大減弱并形成一個接近物理吸附的界面。此時，兩種材料的電子性質(zhì)不再相互影響，介質(zhì)缺陷與溝道層之間的耦合作用將被極大削弱，并保留各自固有的電學(xué)特性。通過范德華異質(zhì)集成，巧妙地在柵極絕緣層和MoS2溝道之間構(gòu)建了寬度達(dá)到5.3埃的范德華間隙（圖1），有效的拉開了半導(dǎo)體溝道層與柵極絕緣層的距離，實現(xiàn)了準(zhǔn)物理吸附的異質(zhì)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?；谠摼w管優(yōu)良的電學(xué)性能，組裝了或、與、非邏輯門電路，并實現(xiàn)超高的電壓增益。

劉興強(qiáng)教授和廖蕾教授、博士后秦文靜以及武漢大學(xué)何軍教授是該工作的共同通訊作者，湖南大學(xué)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(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和湖南省自然科學(xué)基金等項目的支持。

（來源：湖南大學(xué)）