在過去的幾十年里，世界各地的電子工程師和材料科學(xué)家一直在研究各種材料在制造晶體管、放大或切換電子設(shè)備中的電信號(hào)的設(shè)備方面的潛力。眾所周知，二維 (2D) 半導(dǎo)體是用于制造新電子器件的特別有前途的材料。

　　盡管它們具有優(yōu)勢(shì)，但這些材料在電子產(chǎn)品中的使用很大程度上取決于它們與高質(zhì)量電介質(zhì)、絕緣材料或電流不良導(dǎo)體材料的集成。然而，這些材料可能難以沉積在二維半導(dǎo)體基板上。

　　南洋理工大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)和北京量子信息科學(xué)研究院的研究人員最近展示了利用范德華力成功地將單晶滴定鍶（一種高 κ 鈣鈦礦氧化物）與二維半導(dǎo)體集成。他們的論文發(fā)表在Nature Electronics上，可以為開發(fā)新型晶體管和電子元件開辟新的可能性。

　　“我們的工作主要受到2016 年發(fā)表在Nature Materials上的一篇論文的啟發(fā)，”進(jìn)行這項(xiàng)研究的兩名研究人員 Wang Xiao Renshaw 和 Allen Jian Yang 告訴 TechXplore?！氨疚慕榻B了一種獨(dú)立的單晶鈣鈦礦薄膜的智能方法，這種薄膜通常被視為易碎的陶瓷，但具有豐富的功能。這種方法提供了將這些材料轉(zhuǎn)移到任意基板上并將它們與各種材料集成的機(jī)會(huì)?！?/p>

　　作為最有前途的鈣鈦礦氧化物之一，SrTiO 3表現(xiàn)出極高的介電常數(shù)。然而，已發(fā)現(xiàn)將鈣鈦礦氧化物與具有不同原子結(jié)構(gòu)的材料結(jié)合起來幾乎是不可能的。

　　“傳統(tǒng)上，單晶鈣鈦礦氧化物和二維層狀半導(dǎo)體之間的晶格失配阻礙了高質(zhì)量氧化物覆蓋層的外延生長(zhǎng)，”Renshaw 和 Yang 解釋說?！按送?，涉及高溫和氧氣氣氛的單晶鈣鈦礦氧化物的生長(zhǎng)條件不利于二維層狀半導(dǎo)體。然而，在我們的范德華集成過程中，鈣鈦礦氧化物是在晶格匹配的氧化物上生長(zhǎng)的襯底，然后在室溫下轉(zhuǎn)移到二維層狀半導(dǎo)體上。”

　　Renshaw Wang、Yang 和他們的同事之前進(jìn)行了幾項(xiàng)研究，重點(diǎn)關(guān)注生長(zhǎng)氧化物和 2D 電子器件的技術(shù)。基于他們?cè)谥肮ぷ髦腥〉玫某晒?，他們開始嘗試將高 κ 鈣鈦礦氧化物和 2D 層狀半導(dǎo)體結(jié)合起來，以制造高性能晶體管。

　　為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員在水溶性犧牲層上生長(zhǎng)了高 κ 鈣鈦礦氧化物。隨后，他們從該層中取出鈣鈦礦氧化物，并使用彈性體載體（即聚二甲基硅氧烷或 PDMS）將其轉(zhuǎn)移到兩種類型的二維半導(dǎo)體上。他們特別使用了二硫化鉬和二硒化鎢，這兩種不同的二維半導(dǎo)體使他們能夠分別制造 n 型和 p 型晶體管。

　　Renshaw Wang 和 Yang 在一系列測(cè)試中評(píng)估了他們制造的晶體管，發(fā)現(xiàn)它們?nèi)〉昧孙@著的成果。具體而言，二硫化鉬晶體管在1 V 的電源電壓和 66 mV dec-1 的最小亞閾值擺幅下表現(xiàn)出10的八次方的開/關(guān)電流比。

　　“我們成功地繞過了高 κ 鈣鈦礦氧化物和二維半導(dǎo)體集成的限制，我們的方法可以實(shí)現(xiàn)幾乎無限的材料組合，”Renshaw Wang 和 Yang 說。

　　“此外，我們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移的高 k鈣鈦礦氧化物和 MoS 2之間的界面質(zhì)量很高，因?yàn)樗刮覀兡軌蛑圃炀哂型蝗粊嗛撝敌甭实膱?chǎng)效應(yīng)晶體管?！?/p>

　　作為他們最近研究的一部分，研究人員表明，他們創(chuàng)造的晶體管可用于制造高性能和低功耗互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體逆變器電路。未來，他們的設(shè)備可以大規(guī)模制造，用于開發(fā)低功耗的邏輯電路和微芯片。

　　“在我們接下來的研究中，我們將嘗試進(jìn)一步提高高 k鈣鈦礦氧化物的質(zhì)量，以降低晶體管和邏輯門的電源電壓，”Renshaw 和 Yang 補(bǔ)充道。“同時(shí)，我們將監(jiān)測(cè)柵極泄漏電流，并在必要時(shí)采用緩沖層或雙高 k 氧化物來阻止柵極泄漏?！?/p>