哈工大全媒体（马晓雪 秦敬凯 文/图）近日，哈工大深圳校区材料科学与工程学院徐成彦教授、集成电路学院秦敬凯副教授团队在二维集成电路领域取得重要进展，相关成果以《面向二维半导体晶体管和集成电路应用的新型超薄铌酸镁高κ栅介质单晶材料》（Magnesium niobate as a high-κ gate dielectric for two-dimensional electronics）为题，发表于《自然电子学》（Nature Electronics）。该研究开发了基于超薄单晶铌酸镁高κ栅介质的二维场效应晶体管（FET）器件，突破了二维半导体材料与超薄单晶介电层的集成工艺和器件服役瓶颈，有效拓展了高可靠二维半导体晶体管和集成电路的实际应用。
随着硅基芯片集成度的不断提高，芯片中最基本单元—场效应晶体管（FET）的尺寸正逐渐逼近物理极限，面临短沟道效应和栅极漏电等问题，严重阻碍了芯片性能的进一步提升。基于二维半导体沟道材料（如MoS2、WSe2等）的新架构晶体管器件具有优异的栅控能力和漏电控制，被认为是埃米时代高密度逻辑集成芯片的优选技术路线之一。发展与之匹配的新型高κ介电材料及集成技术，抑制界面缺陷态密度和载流子散射，并提高器件在实际服役环境下的可靠性，是构建二维材料集成电路芯片的关键。在二维晶体管器件结构中，通常采用薄膜沉积技术（如原子层沉积，ALD）在沟道表面沉积具有高介电常数的氧化物（如HfO2、Al2O3等）作为电介质层，但该方法会引入较高的缺陷密度和较差的界面质量，导致晶体管漏电流增加和沟道载流子散射等问题，进而影响晶体管性能。将单晶栅介质与二维沟道半导体进行范德华（vdW）异质集成是提高二维晶体管性能的有效途径之一。因此，研究人员致力于开发具有高介电常数和高击穿场强的新型二维电介质材料，以满足低功耗二维集成电路的迫切需求。
基于此，徐成彦、秦敬凯团队采用云母衬底缓释与空间限域协同作用的制备方法，成功制备了具有原子级厚度的高质量MgNb2O6单晶薄膜。MgNb2O6单晶在宽温度范围内（300~500 K）内表现出极佳的综合介电性能，包括高介电常数（15-20）、大击穿强度（13-16 MV·cm−1）以及超过100年的击穿寿命。基于超薄MgNb2O6单晶介电层，制备的顶栅结构单层MoS2场效应晶体管阵列器件表现出超过4×107的开关比，低至62 mV·dec−1的亚阈值摆幅（SS）、低至0.9 mV/(MV·cm−1) 的超小回滞以以及优异的温度稳定性。在此基础上，团队还开发了基于MgNb2O6单晶栅介质的全二维短沟道（50 nm）反相器，并在1 V的驱动电压下实现了13.3的电压增益。团队成员介绍说，本研究为开发高集成度、低功耗且适用于极端环境的二维集成电路提供了重要的解决方案。
MgNb2O6单晶薄膜的限域合成及应用。（a）MgNb2O6单晶薄膜合成机理图；（b-c）MgNb2O6薄膜介电性能研究；（d）晶体管器件示意图；（e）MgNb2O6与MoS2的界面表征；（f）MgNb2O6与MoS2的能级对齐图；（g）不同温度下晶体管器件的转移特性曲线及回滞测试；（i）基于不同栅介质的晶体管器件的亚阈值摆幅和归一化回滞对比；（h）短沟道反相器的电压传输特性曲线。
哈工大深圳校区为论文第一完成单位和通讯单位。哈工大深圳校区集成电路学院秦敬凯副教授、材料科学与工程学院徐成彦教授、香港理工大学柴扬教授、复旦大学王竞立副研究员为论文通讯作者。哈工大深圳校区博士研究生朱成义为论文第一作者，复旦大学博士生张梦如和哈工大深圳校区陈青助理研究员为论文共同第一作者。哈工大材料学院甄良教授、深圳校区集成电路学院赵维巍教授、湖南大学李佳副教授、南方科技大学周菲迟副教授以及上海交通大学司梦维副教授参与相关研究工作。该研究还得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划等项目支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01245-6