剖析二維電子器件的高k介電薄膜——氟化鈣

利用二維材料的獨特結(jié)構(gòu)，可以賦予晶體管等電子器件高面積效率和富有創(chuàng)造性的奇特功能，保證基于其的電子器件尺寸持續(xù)收縮。然而，基于二維材料的微納電子器件的性能一直被二維材料與三維介電材料之間的界面所限制。由此，為了提高二維微納電子器件的性能，尋找研究與二維材料兼容的介電薄膜十分重要。

為了突破摩爾定律的瓶頸，研究者們將二維材料作為溝道層引入到場效應(yīng)晶體管中。二維材料半導(dǎo)體材料如硫化鉬具有原子級別的厚度、表面呈惰性無懸掛鍵且高載流子濃度和遷移率等特性。由此理論上，該類材料可以保證在不降低器件性能的條件下，縮小場效應(yīng)晶體管的尺寸。然而，在微納電子器件中引入二維材料是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因為不僅要證明引入二維材料后的器件表現(xiàn)出更高的性能優(yōu)勢，而且還需要克服制備二維材料的挑戰(zhàn)和將二維材料集成到硅基底器件種的負(fù)面效應(yīng)，比如閃爍噪聲、滯后、由偏置-溫度不穩(wěn)定性引起的長期漂移、低遷移率和亞閾值波動等。

近日，Mario Lanza教授團隊在Applied Physics Reviews上發(fā)表名為“Calcium fluoride as high-k dielectric for 2D electronics”的綜述，并被選為編輯推薦文章。蘇州大學(xué)碩士生文超為論文第一作者，阿卜杜拉國王科技大學(xué)Mario Lanza教授為通訊作者。該文章從材料合成方法、電學(xué)性質(zhì)、現(xiàn)階段應(yīng)用三個方面，系統(tǒng)地研究了氟化鈣薄膜作為二維微納電子器件中的介電材料的可行性，并對未來研究氟化鈣薄膜面對的挑戰(zhàn)提出了可能的解決方案。

在文中，作者首先回顧了氟化鈣介電薄膜的材料合成現(xiàn)狀，對比了多種方法（原子層沉積、化學(xué)氣相沉積、熱蒸發(fā)和分子束外延）合成的氟化鈣薄膜的質(zhì)量，總結(jié)得出分子束外延法是現(xiàn)階段生長氟化鈣薄膜的最優(yōu)方法。使用該方法在硅（111）基底上生長的氟化鈣薄膜結(jié)晶度高、無缺陷簇、表面較光滑且與基底之間缺陷密度低。

同時，氟化鈣薄膜(111)晶面無懸掛鍵且呈化學(xué)惰性；通過反射高能電子衍射可原位測得分子束外延法生長的氟化鈣(111)表面可與二維材料之間良好的界面。然而，分子束外延系統(tǒng)昂貴、操作相對復(fù)雜，而且生長氟化鈣薄膜的速率低（1.3 nm/min）。工業(yè)界普遍使用的合成方法（化學(xué)氣相沉積、原子層沉積、熱蒸發(fā)）生長的氟化鈣薄膜質(zhì)量在結(jié)晶度和懸掛鍵密度方面劣于分子束外延法，但這些方法較低的成本可能使得工業(yè)界進(jìn)一步合成和優(yōu)化氟化鈣介電薄膜。此外，不同的電子器件需要不同的缺陷濃度，使用這些方法合成的氟化鈣薄膜可能可用于其他類型的微納電子器件。

圖1. （a）在高溫下分子束外延法生長的氟化鈣薄膜形貌圖；（b）在低溫（250℃）下分子束外延法生長的氟化鈣薄膜形貌圖；（c）在300K下分子束外延法在銅基上生長的氟化鈣薄膜；（d）化學(xué)氣相沉積法生長的氟化鈣薄膜；（e）高溫下熱蒸發(fā)法生長的氟化鈣薄膜。

其次，作者從理論計算和實驗測量兩個方面討論了氟化鈣薄膜的電學(xué)性質(zhì)，包括能帶隙、介電常數(shù)、介電強度等。首先作者總結(jié)了文獻(xiàn)中各參數(shù)的數(shù)值，討論了獲得這些參數(shù)的測量方法的可靠性，并將氟化鈣的電學(xué)參數(shù)與其他用作微納電子器件的介電質(zhì)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了比較。通過比較得出，氟化鈣是一種高帶隙、高介電常數(shù)、高介電強度和能有效阻止漏電流的理想介電材料。

（a）使用導(dǎo)電原子力顯微鏡測量氟化鈣薄膜的納米級電學(xué)性質(zhì)的示意圖。（b-d）四種介電薄膜不同位置測得的伏安特性曲線。

然后，作者討論了氟化鈣薄膜在晶體場效應(yīng)管、有機薄膜晶體管、光感應(yīng)器、二極管等微納電子器件中的應(yīng)用。由于氟化鈣薄膜優(yōu)異的電學(xué)性能和合成方法的可擴展性，其在不同的固態(tài)電子器件中顯示出優(yōu)異的集成潛力。同時，在硅（111）基底上分子束外延法生長的氟化鈣薄膜（111）晶面與二維材料表面之間形成的高質(zhì)量類范德華界面可以降低電子散射、克服負(fù)面效應(yīng)并減緩器件退化過程，從而提高二維微納電子器件的性能。

圖3. （a）二硫化鉬/氟化鈣（111）/n型硅場效應(yīng)管示意圖。(b-c) a圖種場效應(yīng)管的伏安特性曲線。(d)鋁/氟化鈣/金剛石場效應(yīng)管。（e-f）d圖種場效應(yīng)管的伏安特性曲線。

最后，作者總結(jié)了氟化鈣薄膜二維微納電子器件集成進(jìn)程中的一些挑戰(zhàn)，并提出了潛在解決方案：

適合兼容高質(zhì)量氟化鈣薄膜的生長基底有限：目前高質(zhì)量氟化鈣薄膜的生長僅在硅（111）基底上實現(xiàn)，未來研究可以向不同基底上生長高質(zhì)量氟化鈣薄膜的目標(biāo)邁進(jìn)。

氟化鈣薄膜與二維材料的界面：理論上氟化鈣薄膜（111）晶面與二維材料間可形成類范德華結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)存的研究尚未涉及氟化鈣薄膜與相鄰二維材料之間的界面質(zhì)量的表征，未來可以通過拉曼光譜、截面透射電子顯微鏡來表征氟化鈣薄膜與二維材料間的界面。

氟化鈣薄膜與二維材料的結(jié)合：目前所報道的方法多為將二維材料轉(zhuǎn)移到氟化鈣薄膜上，如何在超薄氟化鈣薄膜上直接生長二維材料將是一個非常有前景的研究方向。

氟化鈣薄膜中的介電擊穿：以氟化鈣為介電層的微納電子器件的介電擊穿過程還未被充分理解，包括隧道電流、不同類型的缺陷、電荷捕獲和釋放、隨機電報噪聲等。

基于氟化鈣薄膜的新型微納電子器件，如憶阻器，仍有很大開發(fā)空間。

論文鏈接：

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0036987

編輯：jq