搜索
图片展示

华中科技大学-晶圆级范德华介电薄膜制备新进展

发表时间: 2022-04-29 09:52:21

作者: 上海良允科学仪器有限公司

浏览:

二维材料具有原子级的厚度和优异的光电性能,可提供更高的迁移率和更好的栅极可控性,是未来场效应晶体管(FET)的潜在沟道材料。然而,二维半导体的电学性能易受到周围无序区影响,如化学吸附物或相邻介电材料等等,这些都会引入载流子散射源和缺陷态,使得器件性能远逊于二维材料的本征性能。


研究表明,与传统氧化物电解质相比,范德华电介质材料具有原子级平坦表面,没有悬挂键,可用于保持二维材料的本征性质等从而制备高性能器件。目前,范德华电介质通常通过机械剥离法或在特殊衬底上进行高温气相沉积制备,与当前CMOS工艺不兼容,这使得范德华电介质的大面积生长以及与其他二维半导体的集成依然具有挑战性。

 


华中科技大学翟天佑教授团队创新发现无机分子晶体Sb2O3薄膜可以作为MoS2 FET中的范德华介质,利用其分子稳定性、晶体表面无悬挂键的结构特点,研究团队采用与半导体制备工艺兼容的热蒸发沉积工艺(STED)实现了晶圆级范德华介电薄膜的可控制备,为高性能二维半导体器件的制备和规模化集成打开了全新的思路。相关研究成果以“A wafer-scale van der Waals dielectric made from an inorganic molecular crystal film”为题发表在著名期刊Nature Electronics上。

 

图文导读

无机Sb2O3分子晶体与石墨烯等层状二维材料不同,以双环笼状小分子Sb2O3为结构单元,分子间通过范德华力结合在一起形成晶体(图1b)。高真空中Sb2O3186℃即可升华,分子中的Sb-O键不会被破坏(图1a),从而制备出晶圆级无悬挂键的介电薄膜(图1c)。

  

1. 通过STED制造晶圆级Sb2O3薄膜。a.热蒸镀实现晶圆级范德华介电薄膜可控制备的示意图;b.无机分子晶体的结构示意图;c.四英寸范德华介电薄膜图片;d.蒸镀工艺实现薄膜厚度精准可控;e,f. Sb2O3薄膜的AFM图像和相应的高度; g.沉积在衬底上的40 nm Sb2O3薄膜和Sb2O3源粉末的拉曼光谱;

拉曼光谱分析系统:WITec alpha300显微共聚焦拉曼光谱仪


AFM结果揭示了薄膜在微米尺度上的平整度(图1.e,f)。利用拉曼光谱对薄膜的分子结构进行了探测,Sb2O3薄膜的拉曼峰与用作沉积源的Sb2O3粉末拉曼峰匹配良好,表明热蒸镀后Sb2O3保留了原有的分子结构和晶体结构

 

2.通过光学方法确定MoS2的层数。a,b,c. 在40 nm Sb2O3/SiO2/Si衬底上制备了单层、双层和三层MoS2d.单层二硫化钼的光致发光光谱; e.Sb2O3衬底上双层和三层MoS2拉曼光谱;

光致发光及拉曼光谱分析系统:WITec alpha300显微拉曼光谱仪


研究团队利用Sb2O3作为介电材料,MoS2作为通道材料,制备了高性能FET器件。为了进行清晰的对比,研究者在标准SiO2/Si衬底上沉积40 nm Sb2O3衬底,通过机械剥离法制备二维MoS2薄片,并将其转移到基体上。利用MoS2的拉曼和荧光层数依赖性以及AFM表征可以清晰获得机械剥离得到的样品厚度(图2)。最终获得的基于单层MoS2Sb2O3的场效应晶体管如图3a所示。

3. Sb2O3作为栅极电介质的顶栅MoS2 FET。a.Sb2O3作为顶栅及Sb2O3/SiO2作为背栅的双栅MoS2 FET示意图; b.FET器件的光学图像; c.具有不同Sb2O3厚度(=5,10,20 nm)的顶栅FET典型转移特性曲线及相应的栅极漏电流; d. Sb2O3厚度为20 nm的顶栅FET 输出曲线; e. 不同背栅电压下,具有扫描顶栅的双栅FET的转移特性曲线;


对器件的性能表征显示,与SiO2等传统介电材料相比,无悬挂键的Sb2O3薄膜表面具有更少的载流子散射源和陷阱态,将其作为介电层与二维半导体构筑而成的场效应晶体管具有更高的迁移率和工作稳定性。对比实验中,单层MoS2场效应晶体管的迁移率26提高到了 145 cm2V-1s-1转移特性曲线的回滞则减小了一个数量级。蒸镀的Sb2O3分子在二维材料表面可形成超薄的致密薄膜,将其作为MoS2场效应晶体管的顶栅介电层(图3.e和f),可大幅提高栅极电容,展现出优异的栅控性能,晶体管的操作电压和功耗也都得到明显降低(图3.g),为二维材料应用于低功耗电子器件打下了基础。

 

研究团队利用标准的热蒸发沉积工艺精确控制并制备出晶圆级高质量Sb2O3无机分子晶体的范德华介质层,以此为介电材料制备的2D MoS2 FET器件表现出比硅器件更好的器件性能,采用超薄层Sb2O3作为介电栅极的MoS2 FET也具有较高的性能。这种使用无机分子晶体制造范德华介质的方法比其他范德华介质(如hBN)所需的制造方法更兼容CMOS,并且可以提供比非范德华介质制造的器件具有更优越性能的电子器件。


华中科技大学-晶圆级范德华介电薄膜制备新进展
长按图片保存/分享
图片展示

首页   |    关于我们    |    产品中心    |    公司新闻    |    联系我们

上海良允科学仪器有限公司

电 话:021-50885150 / 15921559462

地 址:上海市普陀区交通路4711弄李子园大厦801室  

E-mail:info@yunbest.com.cn

Copyright © 2021  上海良允科学仪器有限公司 

图片展示

上海良允科学仪器有限公司  版权所有   备案号: 沪ICP备17046751号

在线咨询

您好,请点击在线客服进行在线沟通!

联系方式
热线电话
400-12346578
上班时间
周一到周五
扫一扫二维码
二维码
添加微信好友,详细了解产品
使用企业微信
“扫一扫”加入群聊
复制成功
添加微信好友,详细了解产品
我知道了