【產(chǎn)通社，12月18日訊】南京大學(xué)（Nanjing University）官網(wǎng)消息，王欣然、施毅教授團隊開展國際合作，利用了二維材料與分子之間的范德瓦爾斯作用，以0.3納米厚的單層分子晶體作為界面層，在二維材料上成功實現(xiàn)了高質(zhì)量、超薄high-κ介質(zhì)層沉積技術(shù)。憑借該技術(shù)，團隊首次在石墨烯、MoS2和WSe2等二維材料上實現(xiàn)了1nm EOT，并具備原子級的平整度、低界面態(tài)密度和高擊穿電場。重要的是，介質(zhì)層的漏電流密度與CMOS水平相當(dāng)，滿足了國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖對低功耗邏輯晶體管的要求。

二維半導(dǎo)體材料具有非零帶隙、極限溝道厚度、高遷移率等特點，可以顯著增加?xùn)艠O調(diào)控能力，是有希望繼續(xù)延伸摩爾定律的新型電子材料。然而，由于二維材料表面無懸掛鍵，無法利用傳統(tǒng)原子層沉積工藝沉積高質(zhì)量柵極介質(zhì)層，導(dǎo)致界面態(tài)和等效氧化層厚度（EOT）遠(yuǎn)高于硅基CMOS晶體管。因此，開發(fā)針對二維材料的高質(zhì)量、超薄、并且與大面積工藝兼容的介質(zhì)層集成工藝，是二維電子器件應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸之一。

利用分子輔助的超薄介質(zhì)層沉積技術(shù)，研究人員將二維半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的亞閾值擺幅降至60 mV/dec的理論極限，工作電壓降至0.8V，并且在20nm溝道長度下未發(fā)現(xiàn)顯著的短溝道效應(yīng)。進一步，實現(xiàn)了功耗小于1 nW的二維CMOS邏輯反相器，并通過石墨烯射頻器件驗證了介質(zhì)層可以工作在10 GHz以上。值得指出的是，該技術(shù)適用于多種二維材料，并兼容大面積化學(xué)氣相沉積樣品。

此項研究突破了二維電子器件超薄介電層集成這一瓶頸，有望推動二維集成電路的發(fā)展，該工作以《Uniform and ultrathin high-κ gate dielectrics for two-dimensional electronic devices》為題近期發(fā)表于Nature Electronics。參與合作的單位包括加州大學(xué)洛杉磯分校Xiangfeng Duan教授、新加坡國立大學(xué)Wei Chen教授、東京大學(xué)K. Nagashio教授、南京大學(xué)王鵬和馬海波教授、中電55所陳堂勝研究員等課題組。該研究得到了基金委重點項目、創(chuàng)新群體項目、應(yīng)急管理項目、科技部量子調(diào)控青年科學(xué)家專題以及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等項目的資助。

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