手機版
化工儀器網手機版
化工儀器網小程序
官方微信
公眾號：chem17
掃碼關注視頻號
臺式ALD，Nat. Mater.！二維晶體管介電層集成研究取得重要進展
臺式三維原子層沉積系統-ALD
體積小巧，可放在實驗桌上
多片4，6，8 英寸樣品同時沉積
厚度均勻性高于99%
適合復雜/ 摻雜薄膜沉積
二維半導體表面沉積利器
......
體積小巧，可放在實驗桌上
多片4，6，8 英寸樣品同時沉積
厚度均勻性高于99%
適合復雜/ 摻雜薄膜沉積
二維半導體表面沉積利器
......
隨著現代半導體行業的發展，基于硅半導體的場效應晶體管（FET）的尺寸不斷縮小，目前已經接近其物理極限。在新興材料中，二維半導體可達到原子級厚度且保持高載流子遷移率，理論上可實現優異的柵極控制，因而被認為是用于下一代場效應晶體管的理想溝道材料。然而，由于二維半導體表面無懸掛鍵，很難在其表面集成高質量的介電層，這是目前該領域的重大難題。
為解決上述問題，華中科技大學翟天佑團隊以無機分子晶體Sb2O3作為緩沖層，發明了一種在二維材料表面集成超薄高k介電層的普適性方法。利用該緩沖層法制備的HfO2/Sb2O3復合介電層可實現0.67 nm的等效氧化層厚度（EOT），是目前報道的二維晶體管介電層中zui低的。高質量的界面降低了界面態密度，由單層MoS2溝道和HfO2/Sb2O3復合介電層構成的FET在0.4 V的超低工作電壓下即可獲得超過106的開關比，其柵極控制效率優于目前報道的其他所有FET。該項成果以“Scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors”為題發表于國際高水平期刊Nature Materials。
Sb2O3緩沖層的作用機理如下：一方面，Sb2O3可與二維半導體間形成高質量的范德華界面；另一方面，Sb2O3覆蓋了二維材料原有的疏水表面，提供了高度親水的表面，提升了與傳統原子層沉積（ALD）工藝的相容性，便于集成超薄高k介電層。圖1a展示了在MoS2二維半導體表面集成HfO2/Sb2O3復合介電層的過程。作者利用熱蒸鍍法制備了Sb2O3緩沖層，隨后使用美國Arradiance公司的GEMStar系列臺式原子層沉積(ALD)系統制備了致密均勻的HfO2層（圖1b）。此外，作者還利用該臺式ALD設備在MoS2/Sb2O3上生長了常見介電層Al2O3和ZrO2(圖1c, 1d)，證明了該方法的普適性。
圖1. （a）在MoS2二維半導體表面集成HfO2/Sb2O3復合介電層的過程,(b)-(c)樣品的AFM圖像。
隨后，作者用第一性原理計算研究了Sb2O3緩沖層對ALD過程的促進原理。如圖2a-2b所示，H2O分子在MoS2表面的吸附距離為約3?,在Sb2O3表面的吸附距離減小至約2?，接近于水中氫鍵的長度。同時，H2O分子在Sb2O3表面的吸附能大幅高于在MoS2表面的吸附能（圖2c）。上述結果表明Sb2O3緩沖層可促進ALD過程中的前驅體吸附，有助于介電層的生長。
圖2. H2O分子在(a)MoS2和（b）Sb2O3表面的吸附構型，（c）H2O分子在MoS2和Sb2O3表面的吸附能。
本文所使用的美國Arradiance公司的GEMStar系列臺式原子層沉積系統如圖3所示，在小巧的機身（78 * 56 * 28 cm）中集成了原子層沉積所需的所有功能，可容納9片8英寸基片同時沉積。全系配備熱壁，結合前驅體瓶加熱，管路加熱，橫向噴頭等設計，使溫度均勻性高達99.9%，氣流對溫度影響減少到0.03%以下。高溫度穩定度的設計不僅可在8英寸基體上實現厚度均勻的膜沉積（其厚度均勻性高于99%），而且適合對具有超高長徑比孔徑的3D結構進行均勻薄膜覆蓋，在高達1500：1長徑比微納深孔內部也可均勻沉積。此外，該設備還具有節約前驅體原料，制備效率高，性價比高等優點。該設備已幫助國內外用戶取得大量Nature、Science級別的研究成果。
圖3. 美國Arradiance公司生產的GEMStar系列臺式三維原子層沉積系統
參考文獻：
[1]. Scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors. Nat. Mater., 2023, DOI:10.1038/s41563-023-01626-w
免責聲明
- 凡本網注明“來源：化工儀器網”的所有作品，均為浙江興旺寶明通網絡有限公司-化工儀器網合法擁有版權或有權使用的作品，未經本網授權不得轉載、摘編或利用其它方式使用上述作品。已經本網授權使用作品的，應在授權范圍內使用，并注明“來源：化工儀器網”。違反上述聲明者，本網將追究其相關法律責任。
- 本網轉載并注明自其他來源（非化工儀器網）的作品，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責，不承擔此類作品侵權行為的直接責任及連帶責任。其他媒體、網站或個人從本網轉載時，必須保留本網注明的作品第一來源，并自負版權等法律責任。
- 如涉及作品內容、版權等問題，請在作品發表之日起一周內與本網聯系，否則視為放棄相關權利。
采購中心