01 科学背景
形成范德华(vdW)界面的二维(2D)半导体有可能用作5 nm以下技术节点场效应晶体管(FET)中的沟道材料。然而，由于缺乏具有高介电常数(κ)和低漏电流的超薄栅极绝缘体，此类2D晶体管的性能通常低于理论预测。通过原子层沉积获得的传统高K氧化膜，例如HfO2、ZrO2和Ta2O5，当尺寸缩小到纳米时，通常会沉积为具有丰富缺陷的非晶相。原位沉积过程还会直接损坏二维通道并在异质界面处引入电荷散射中心和陷阱。这会降低2D FET的电气性能，例如载流子迁移率、磁滞和亚阈值摆幅(SS)。超薄电介质的vdW集成为节能2D FET和集成电路提供了一种选择。特别是，晶体介电材料具有较小的等效氧化物厚度（EOT）、较大的击穿强度和原子级平坦的表面，可以提供高质量的介电/半导体异质界面，从而产生电性能与硅基对等的2D FET。集成到小型电路中的FET会受到由高电压浪涌和大功率耗散密度引起的恶劣环境压力。尽管已经开发出二维FET雏形，但当前的晶体介电材料的热稳定性和电气可靠性较差。因此，有必要开发与二维电子学兼容的晶体介电材料，并且能够在宽带隙、大击穿强度、高介电常数、小漏电流以及热稳定性和电稳定性方面提供良好的权衡。
02 创新成果
哈尔滨工业大学（深圳）秦敬凯副教授、徐成彦教授与香港理工大学柴扬教授、复旦大学王竞立合作在云母基板上使用缓冲液控制的外延生长工艺来合成原子级薄的MgNb2O6单晶，该晶体具有宽带隙（约5.0 eV）、高介电常数（约20）、大击穿电压（约16 MV cm-1）和良好的热可靠性。与MgNb2O6栅极电介质集成的单层二硫化钼(MoS2) FET表现出0.9 mV MV-1cm的磁滞、62 mV dec-1的陡峭SS、高达4 × 107的开/关电流比以及在高达500 K的温度下运行可靠性，从而满足2022年国际低功率晶体管器件和系统路线图的要求。MgNb2O6优异的静电可控性使得能够制造长度限制仅为50 nm的石墨烯接触短沟道FET和逆变器电路。
相关研究成果2024年9月18日以“Magnesium niobate as a high-κ gate dielectric for two-dimensional electronics”为题发表在Nature Electronics上。
03 核心创新点
新型高κ栅介电材料：通过在云母基底上控制外延生长过程，成功合成了具有高介电常数的原子级薄的MgNb2O6晶体，这种晶体具有宽带隙和高击穿电压，是一种新型的二维电子器件栅极电介质材料。
优异的电气性能：MgNb2O6能够与单层MoS2形成范德华界面，且具有极低的陷阱态密度，使用MgNb2O6作为栅极电介质的MoS2场效应晶体管展现出了优异的电气性能，包括低迟滞、小的亚阈值摆动和高开关电流比。
热稳定性和可靠性：MgNb2O6晶体管在高达500 K的温度下仍能保持高电气可靠性，这对于高性能电子器件的应用至关重要。
04 数据概览
05 成果启示
本研究成功开发了一种新型高κ栅极电介质材料——单晶镁铌酸盐(MgNb2O6)，为二维电子器件的发展带来了革命性的突破。MgNb2O6晶体以其原子级薄度、宽带隙、高介电常数和优异的热稳定性，有效提升了场效应晶体管的性能，显著降低了迟滞和亚阈值摆动，同时实现了高开关电流比和出色的电气可靠性。此外，通过与石墨烯电极的结合，研究者们还成功抑制了短沟道效应，为实现更小型化、更高性能的逻辑电路奠定了基础。这一成果不仅推动了二维半导体技术的进步，也为未来电子器件的微型化和能效提升提供了新的可能性。
doi.org/10.1038/s41928-024-01245-6
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