經(jīng)費(fèi)過億，左手科研、右手工業(yè)！新南威爾士大學(xué)Sean Li和臺(tái)積電前處長(zhǎng)、香港大學(xué)李連忠教授聯(lián)手《Nature》!

在全球新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命中，先進(jìn)半導(dǎo)體關(guān)鍵核心技術(shù)正在成為全球主要經(jīng)濟(jì)體競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。我國(guó)目前一直致力于解決關(guān)鍵的“卡脖子”技術(shù)，半導(dǎo)體已被確定為中國(guó)2020年推出的雙循環(huán)戰(zhàn)略的優(yōu)先目標(biāo)。其中，半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 是利用控制輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。

目前，對(duì)于硅(Si)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的亞10納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)，亞納米電容等效厚度和與溝道的完美界面對(duì)于柵極電介質(zhì)保持柵極可控性至關(guān)重要。因此，科學(xué)家致力于開發(fā)適用于未來節(jié)點(diǎn)的二維MOSFET的可靠高介電常數(shù)(κ)材料。Si技術(shù)中常用的高κ電介質(zhì)（即氧化鋁(Al₂O₃)和氧化鉿(HfO₂)）已與二維過渡金屬二硫?qū)倩锊牧霞稍谝黄?/strong>。然而，它們的無定形性質(zhì)和不完美的介電/過渡金屬-二硫化物界面使得消除電荷散射和陷阱變得困難，此外介電沉積工藝會(huì)直接損壞二維通道。盡管已經(jīng)開發(fā)了幾種界面鈍化層，例如有機(jī)分子和原子級(jí)薄的六方氮化硼(hBN)，但這些層會(huì)降低整體柵極電容。另一種有吸引力的方法是采用晶體介電材料。此外，合成單晶獨(dú)立式鈣鈦礦氧化物膜的最新進(jìn)展已經(jīng)建立了一條可行的途徑，將超高κ結(jié)晶SrTiO₃薄膜與二維半導(dǎo)體集成以形成高質(zhì)量的介電/通道界面，以克服目前柵極控制的限制。

來自于新南威爾士大學(xué)的Sean Li教授、香港大學(xué)機(jī)械工程系李連忠教授合作探索了可轉(zhuǎn)移的超高κ單晶鈣鈦礦鍶鈦氧化物膜作為2D場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極電介質(zhì)。該鈣鈦礦膜表現(xiàn)出理想的亞一納米級(jí)電容等效厚度（CET），具有低漏電流（在2.5?兆伏/厘米時(shí)小于10^-2?安培/平方厘米）。作者發(fā)現(xiàn)由于使用超高κ電介質(zhì)而導(dǎo)致的不利邊緣誘導(dǎo)的勢(shì)壘降低效應(yīng)，鍶鈦氧化物電介質(zhì)和二維半導(dǎo)體之間的范德華間隙減輕了。通過化學(xué)氣相沉積和氧化鍶鈦電介質(zhì)由可擴(kuò)展的二硫化鉬薄膜制成的典型短溝道晶體管表現(xiàn)出陡峭的亞閾值擺幅，低至每十倍頻約70?毫伏，開/關(guān)電流比高達(dá)10，與低功率器件相匹配，符合最新的國(guó)際設(shè)備和系統(tǒng)路線圖建議的規(guī)范。相關(guān)研究成果以題為“High-κ perovskite membranes as insulators for two-dimensional transistors”發(fā)表在最新一期《Nature》上。本文第一作者為Jing-Kai Huang、Wan Yi、Shi Junjie和Zhang Ji。

其中不得不提的是兩位通訊作者都和產(chǎn)業(yè)界有著精密的聯(lián)系。Sean Li教授是新南威爾士大學(xué)材料與制造“未來研究院”的院長(zhǎng)，正在主持多個(gè)總投資額達(dá)2300萬澳元（1.07億人民幣）的材料制造工業(yè)合作項(xiàng)目。香港大學(xué)李連忠教授于2017年出任為臺(tái)灣積體電路制造公司(臺(tái)積電)技術(shù)研究處處長(zhǎng)，早在2021年，李教授聯(lián)同美國(guó)麻省理工學(xué)院、臺(tái)積電及臺(tái)灣國(guó)立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，于頂尖學(xué)術(shù)期刊《Nature》以 Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors為題目，發(fā)表了一篇論文，提出二維材料結(jié)合半金屬鉍能達(dá)到極低的電阻，這項(xiàng)突破性發(fā)現(xiàn)有助實(shí)現(xiàn)1納米半導(dǎo)體的艱巨挑戰(zhàn)。

【高κ鈣鈦礦膜制備與表征】

本文通過反射高能電子衍射（RHEED）輔助脈沖激光沉積技術(shù)用于制備獨(dú)立的SrTiO₃介電層（圖1a）。圖1c中的光學(xué)顯微照片表明，隨著SrTiO₃厚度的增加，光學(xué)對(duì)比度逐漸增加。5-u.c.厚SrTiO3的平面圖暗場(chǎng)透射電子顯微鏡 (TEM) 圖像和選區(qū)電子衍射 (SAED) 圖案 (圖1d, e )證明了其單晶性質(zhì)，缺陷在探測(cè)區(qū)域非常有限（圖1f）。

圖 1. 獨(dú)立式單晶SrTiO₃層的制備與表征

【單晶SrTiO₃膜的介電性能】

金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器結(jié)構(gòu)用于評(píng)估所制備的SrTiO₃膜的電容-電壓(C–V)特性（圖2a）。圖2b顯示測(cè)得的電容密度隨電壓和頻率適度降低，圖2c顯示CET與SrTiO₃厚度呈近線性關(guān)系，這意味著可以使用小于26 nm（約65 uc）的氧化物厚度實(shí)現(xiàn)亞1 nm CET。圖2d顯示了所制備的SrTiO₃膜的漏電流特性，其厚度分別為10 uc、20 uc、40 uc和80 uc。與通過沉積工藝產(chǎn)生的高κ電介質(zhì)形成鮮明對(duì)比的是，具有光滑和明確定義的表面和彈性性質(zhì)的獨(dú)立式SrTiO₃膜表現(xiàn)為準(zhǔn)二維層，使用范德華(vdW)與相鄰材料接觸間隙，大大減少了界面缺陷并增強(qiáng)了介電強(qiáng)度。

圖 2. 單晶SrTiO₃膜的介電性能

【器件性能】

為了檢查柵極介電性能，作者將厚度為40 uc的SrTiO₃膜轉(zhuǎn)移到具有預(yù)定義柵極金屬的SiO₂襯底上，然后將通過化學(xué)氣相沉積(CVD)生長(zhǎng)的單層二硫化鉬(MoS₂)薄膜轉(zhuǎn)移到SrTiO₃的頂部，最后，圖案化MoS₂通道以形成局部背柵MoS₂FET（圖3a），F(xiàn)ET陣列的照片如圖3b所示。利用掃描透射電子顯微鏡(STEM)和 x 射線能譜儀(EDS)繪制了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的橫截面結(jié)構(gòu)(圖3 c)。圖3d和圖3e分別繪制了長(zhǎng)溝道單層 MOS₂FET (溝道寬度/溝道長(zhǎng)度，W_CH/L_CH = 10 μm/3.5 μm)的傳輸特性(溝道電流與柵電壓，ID-VG)和輸出特性(溝道電流與溝道電壓，ID-VD)。圖3h顯示了這些器件的開/關(guān)電流比與SS值之間的相關(guān)性。許多器件的開/關(guān)電流比接近10⁷；同時(shí)，最佳SS值接近70mVdec^-1，這是MoS₂FET獲得的最佳值之一。

圖 3. 具有超高κ SrTiO₃電介質(zhì)的局部背柵 MoS₂ FET

【靜電學(xué)研究】

隨著溝道長(zhǎng)度的縮放，漏極引起的勢(shì)壘降低變得明顯；因此，柵極的靜電控制下降，導(dǎo)致更高的亞閾值電流和較差的SS值。這種現(xiàn)象可以通過減小CET來減輕。因此，作者制造了短通道MoS₂FET（L_CH?≈25nm到L_CH?≈55nm；圖4a），以演示超高κ SrTiO₃電介質(zhì)的柵極到通道控制。35 nm短溝道MoS₂FET的傳輸特性（圖4b）顯示接近10⁶的開/關(guān)電流比和79mVdec^-1的SS值，并且輸出曲線（圖4c）顯示有希望的電流控制和飽和，其中SrTiO₃柵極電介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的SS值是報(bào)道的最低值之一。

圖 4. 基于超高-κ SrTiO₃電介質(zhì)的短通道MoS₂ FET的靜電學(xué)

【作者簡(jiǎn)介】

李連忠，香港大學(xué)教授，于英國(guó)牛津大學(xué)畢業(yè)后隨即加入新加坡南洋理工大學(xué)任職助理教授；2010年加入臺(tái)灣中央研究院擔(dān)任助理教授；2014年受聘于沙特阿拉伯國(guó)王科技大學(xué)，2016年擢升為教授；2017年加入澳洲新南威爾士大學(xué)策略菁英教授。同年，李教授出任為臺(tái)灣積體電路制造公司技術(shù)研究處處長(zhǎng)。歷年來，他在多家國(guó)際頂級(jí)科學(xué)期刊發(fā)表超過四百篇論文，并在Web of Science獲得逾41940次引用，H指數(shù)為93；而在Google學(xué)術(shù)搜尋已獲得逾57269次引用，H指數(shù)為109。他的研究主要集中在從材料和設(shè)備的角度解決這些重大挑戰(zhàn)，以推進(jìn)未來的電子產(chǎn)品和擴(kuò)展摩爾定律。

Sean Li教授是新南威爾士大學(xué)材料與制造“未來研究院”的院長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事多功能復(fù)雜氧化物和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，已經(jīng)發(fā)表了3本學(xué)術(shù)書籍、1本編著書籍、16篇書籍章節(jié)和338篇國(guó)際期刊論文。他還正在主持多個(gè)總投資額達(dá)2300萬澳元的材料制造工業(yè)合作項(xiàng)目。