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铌酸镁-一种二维电子器件的高κ值栅极电介质
基于二维半导体的集成电路需要超薄栅极绝缘体，这些绝缘体能够提供高界面质量和介电可靠性，同时最大限度地减少电活性陷阱并提高栅极控制能力。然而，现有的二维绝缘体在带隙、击穿强度、介电常数、漏电流和偏置温度稳定性方面无法提供良好的权衡。本文展示了可以通过在云母衬底上进行缓冲层控制的外延生长技术来获得铌酸镁（MgNb2O6）单晶。原子级薄的MgNb2O6晶体具有宽带隙（约5.0eV）、高介电常数（约20）、高击穿电压（约16 MV cm-1）和良好的热可靠性。MgNb2O6可以与单层二硫化钼（MoS2）形成范德华界面，且陷阱态密度极低。采用MgNb2O6作为栅极绝缘体的MoS2场效应晶体管表现出低于0.9 mV(MV cm-1)-1的回滞、62 mV dec-1的亚阈值摆幅、高达4×107的开/关电流比，以及在500 K下的高电可靠性。MgNb2O6出色的静电控制能力使我们能够制造出沟道长度为50nm的石墨烯接触晶体管和逆变器电路。
研究背景
形成范德华(vdW)界面的二维(2D)半导体有望成为5nm以下技术节点中场效应晶体管 (FET) 中的沟道材料。然而，由于缺少具有高介电常数（κ）和低漏电流的超薄栅极绝缘体，这类2D晶体管的性能往往低于理论预测。通过原子层沉积获得的传统高κ氧化物薄膜，如氧化铪（HfO2）、氧化锆（ZrO2）和氧化钽（Ta2O5），在缩小到纳米尺度时通常会结晶为富含缺陷的非晶相。原位沉积过程还可能直接损伤2D沟道，并在异质界面处引入电荷散射中心和陷阱。这会降低2D FET的电性能，如载流子迁移率、回滞和亚阈值摆幅（SS）。超薄介电质的vdW集成为高效能2D FET和集成电路提供了一种选择。尤其是具有小等效氧化物厚度（EOT）、高击穿强度和原子级平坦表面的晶体介电材料，能够提供高质量的介电/半导体异质界面，从而制造出电性能可与硅基器件相媲美的2D FET。
研究内容
一、超薄MgNb2O6的介电性能
图2 超薄MgNb2O6的介电性能。图a，不同频率下，MgNb2O6金属-绝缘体-金属器件的偏压相关电容密度 (C-V) 曲线。插图：金属-绝缘体-金属器件示意图（左）和 OM 图像（右）。图b，通过C-V法测量的MgNb2O6的厚度相关介电常数。插图：MgNb2O6的厚度相关 EOT。图c，通过紫外-可见吸收光谱确定的MgNb2O6纳米片的光学带隙，α、h 和ν分别为吸收系数、普朗克常数和光频率。插图：使用 HSE06 函数计算的MgNb2O6晶体的能带结构。图d，4至25 nm厚的MgNb2O6纳米片的击穿特性。插图：相应的击穿场强。图e，不同厚度的MgNb2O6纳米片的电场相关漏电流密度。灰色虚线标记了相对应用的极限。图f，不同温度下击穿场 (EBD) 对MgNb2O6的 EOT 的依赖性。图g，击穿时间 (TBD) 与应力电压特性。斜虚线表示用于寿命预测的 E 模型拟合。图h，与各种介电材料相比，超薄MgNb2O6的EBD与有效介电常数(εr)的关系。
补充图1 MgNb2O6 纳米片的紫外-可见吸收光谱
为了实现对2D FETs栅极的有效控制，超薄栅极绝缘体应具备高介电常数。用于电容-电压（C-V）测量的平行板电容器装置如图2a所示。一个15nm厚的MgNb2O6纳米片被夹在两个垂直堆叠的金电极之间。相对介电常数可以通过以下公式计算：
此外，即使在高达500K的温度下，MgNb2O6纳米片的C-V曲线也几乎没有退化，这表明其介电常数具有出色的热稳定性。图2b评估了室温下超薄MgNb2O6单晶的介电常数随厚度的变化情况，对于4nm厚的样品，εr略微降低至15.5。MgNb2O6的等效氧化物厚度（EOT）可以通过以下公式计算：
对于厚度为4nm的样品，实现了1.0nm的理想EOT，通过拟合实验数据，发现εr约为17.5。该值与使用金属-绝缘体-金属装置获得的值相匹配。
栅极绝缘体还需要较宽的带隙，以确保能量势垒足够高，从而将漏电流降至最低。通过吸收光谱评估了超薄MgNb2O6晶体的带隙。通过微区紫外-可见吸收光谱（图2c、补充图1)确定了一个5.0eV的宽带隙，这与通过密度泛函理论（DFT）计算获得的能级图（约5.13eV）非常一致。相对较大的带隙和单晶性质有助于实现极大的击穿强度（EBD）和较小的漏电流（Jleak）。夹在金电极之间的超薄MgNb2O6晶体显示出13-16MV cm-1范围内的较大EBD，几乎是钙钛矿SrTiO3膜的三倍（图2d）。对于4nm厚的样品（图2e），在1MV cm-1的电场下，测得的漏电流仅为2×10-3A cm-2，远低于低功耗极限（1.5×10-2A cm-2）和标准互补金属氧化物半导体（CMOS）栅极极限（10A cm-2）。得益于其高结晶度和宽带隙，即使在高达500K的测试温度下，超薄MgNb2O6晶体仍保持了高达10MV cm-1的较大EBD。在5MV cm-1下，其漏电流仅为10-2A cm-2量级（图2f）。介电绝缘体的电可靠性通常通过其在恒定电压应力下失效前的寿命来评估，这被称为与时间相关的介电击穿。通过E模型拟合数据，预测了在2.5MV cm-1的操作场强下，其寿命长达100年（图2g）。即使在500K下，击穿寿命也长达一年。与目前最先进的硅和二维半导体技术中报道的介电材料相比，超薄MgNb2O6晶体在宽温度范围内表现出良好的击穿强度和介电常数平衡（图2h）。MgNb2O6因其出色的介电性能、热稳定性和电可靠性，成为高性能FETs中二维半导体通道集成的有前景的绝缘候选材料。
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二、以MgNb2O6为栅极绝缘体的高性能二维场效应晶体管（FETs）
由于界面相互作用较弱，使得高质量MgNb2O6纳米片的剥离和转移变得容易。基于单层MoS2薄膜制造了顶栅FET阵列，该阵列包含20个独立器件，MoS2薄膜是通过在蓝宝石基板上进行化学气相沉积（CVD）生长的（图3a）。
图3 基于高κ值的MgNb2O6介电材料的MoS2 FET 的电气特性。图a，由 20 个独立器件组成的顶栅单层 MoS2 FET 阵列的示意图和 OM 图像。通道的宽度和长度分别为10μm和4μm。图b，器件的典型传输（IDS-VTG）曲线和漏电流（虚线）。图c，同一器件的输出特性（IDS-VDS）。图d，阵列中所有20个器件的IDS-VTG 曲线。插图：记录的迁移率和开/关比的对应散射分布。图e，在 300、400 和 500 K 下测得的同一器件的IDS-VTG曲线。栅极电压扫描速率为 0.02 V s-1。插图：相应的磁滞宽度。图f，MgNb2O6–MoS2异质横截面 TEM 表征（上）和原子示意图（下）。图g，MgNb2O6和MoS2之间的能带排列。导带最小值和价带最大值的能带偏移均大于1 eV。图h，室温下该器件的陷阱密度(Dit)与使用不同高k电介质的最先进的 2D FET 相比。空心符号代表剥离的MoS2通道，实心符号代表 CVD-MoS2 通道。图i，与文献值相比，MgNb2O6栅控单层MoS2 FET的SS值与归一化滞后值的对比。D，漏极；G，栅极；S，源极；VG，栅极电压；VDS，漏源电压；VTG，顶栅电压；IDS，漏源电流；IOn，开态电流；IOff，关态电流。
典型的转移曲线显示，沟道电流的开/关比高达4×107，栅极漏电流低至10-5A cm-2，场效应迁移率高达28.5 cm2V-1s-1（图3b）。图3c是该器件对应的输出曲线图。IDS-VDS特性在低偏压下呈线性，在高偏压下达到饱和，这证实了欧姆接触和良好的电流控制。阵列中20个器件的所有转移曲线汇总于图3d。统计分析显示，开/关比和场效应迁移率均呈高斯分布，平均值分别为2.0×107和21.5 cm2V-1s-1。
对于典型的MoS2FET器件，即使经过104次开关，其电流的开和关状态也能保持良好，且在存储一个月后，阈值电压（VTH）几乎没有偏移。得益于几乎无缺陷的理想异质界面，这些器件在1/f噪声产生方面表现出色，并且在0.02 V/s的扫描速率下，具有超小的滞后宽度ΔVG，低至2.2 mV（图3e）。单晶MgNb2O6的高温稳定介电特性使得器件能够在500 K的高温测试下运行而无明显退化，同时ΔVG仍然非常小，不超过21.2 mV。这些结果表明，以MgNb2O6介电质为栅极的单层MoS2FET在热稳定性和电可靠性方面极具竞争力，这对于商业应用具有重要意义。
对于具有传统氧化物介电质的MoS2FET，界面缺陷在特定缺陷带中的能量排列对可靠性起主导作用。关键缺陷来源于非晶氧化物，由此产生的边界陷阱在器件运行期间会捕获电荷，从而导致明显的亚阈值斜率（SS）、较大的滞后宽度、阈值电压偏移和缓慢的弛豫时间，这些都是偏置温度不稳定性的特征。在单晶MgNb2O6中，绝缘体缺陷处不会发生电荷捕获事件。图3f中的横截面高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像清晰地解析了高度结晶的MgNb2O6介电质。在异质结处没有缺陷，是有一个原子级平坦且清晰的界面，因此，在MgNb2O6/MoS2器件中，偏置温度不稳定性主要来自MoS2沟道的本征缺陷。MgNb2O6/MoS2异质界面的陷阱密度（Dit）可以通过以下公式估算：
其中，CG为栅极电容，kB和q分别代表玻尔兹曼常数和元电荷。可以获得极低的Dit ≈4.0×1011 cm-2/eV-1，与之前报道的集成了高κ栅极介电质的单层MoS2FET相比，其性能更加优越（图3h）。
除了界面缺陷外，介电质/半导体异质结的本征能带排列也有利于器件在低SS、小滞后和卓越电可靠性方面的性能。根据密度泛函理论（DFT）计算和微区紫外-可见吸收光谱测量，超薄MgNb2O6单晶具有高达5.13 eV的宽禁带，远大于单层MoS2的禁带宽度（约1.78 eV）。这导致MgNb2O6栅极绝缘体与MoS2沟道之间的导带最小值和价带最大值分别具有1.18 eV和2.16 eV的能带偏移（图3g）。这些值完全满足了栅极介电质所需的能带偏移（>1eV）标准，从而有助于实现具有小漏电流和高可靠性的器件。如图3i所示，我们的器件在SS和归一化滞后方面表现出竞争力，特别是具有极小的滞后值0.9 mV MV-1cm，在集成了高κ介电质的最新单层MoS2晶体管中处于领先地位。该滞后甚至可与商用Si FET相媲美。
三、短沟道场效应晶体管（FETs）和反相器电路
图4 基于MgNb2O6介质的短沟道MoS2场效应晶体管（FET）和反相器电路。图a，短沟道MoS2场效应晶体管的示意图。通过图案化石墨烯电极将最短沟道长度（Lchannel）设定为50nm。图b，器件的漏源电流（IDS）–栅极电压（VTG）曲线和漏电流（灰色）。插图：器件的IDS–漏源电压（VDS）曲线。图c，不同沟道长度的器件的IDS–VTG曲线。插图：开关比和漏极感应势垒降低（DIBL）随沟道长度的变化趋势。图d，使用MoS2作为沟道和超薄MgNb2O6作为介质的短沟道反相器的光学显微镜（OM）图像。插图：间隙为50nm的石墨烯电极的AFM图。图e，反相器的电压传输特性和等效电路（插图）。图f，反相器的电压增益。VOUT为输出电压；VIN为输入电压；VDD为驱动电压。
随着沟道长度的缩小，漏极诱导势垒降低（DIBL）成为影响器件性能的主要因素，其定义为栅极电压偏移（ΔVTH）与漏极电压变化（ΔVDS）之比。DIBL被认为是短沟道效应的主要来源之一。使用超薄MgNb2O6绝缘层可将栅极电介质等效氧化物厚度（EOT）推至亚纳米尺度，从而减轻短沟道器件中的DIBL效应。在顶栅器件配置中，使用了原子级薄的石墨烯作为电极。这些电极通过减少源极/漏极到MoS2沟道的寄生电容，有助于增强栅极可控性（如图4a所示）。因此，从理论上讲，高κ值MgNb2O6与石墨烯电极的结合应能最大限度地减少短沟道效应，从而实现短沟道场效应晶体管和逻辑电路的应用。
实验上使用了10nm厚的超薄MgNb2O6。以MgNb2O6电介质为栅极的短沟道单层MoS2 FET在宽温度范围内稳定运行，且短沟道效应受到明显抑制，这与理论预测一致（图4b、c）。对于50nm短沟道器件，获得了高达2×106的开/关比和77 mV dec-1的小SS，以及低至76 mV V-1的DIBL。相应的输出曲线也证实了其电流饱和特性良好以及栅极绝缘体的静电控制优异。我们器件实现的低SS值在报道的高κ电介质短沟道MoS2 FET中名列前茅，并接近22nm技术节点的商用硅三栅FET的SS值。得益于MgNb2O6/MoS2短沟道FET的优异栅极可调特性，我们制造了逻辑反相器。逻辑反相器是CMOS数字电路中的基本功能单元（图4d）。传输特性表明，反相器在正电压下表现出色，具有尖锐的电压过渡区，在VDD=1 V时获得约13.3的峰值电压增益（图4e、f）。基于MgNb2O6电介质的短沟道反相器具有高电压增益、可忽略的滞后效应和优异的热稳定性，使其成为高集成度、低功耗逻辑电路的理想选择。
原文链接
Magnesium niobate as a high-κ gate dielectric for two-dimensional electronics
https://doi.org/10.1038/s41928-024-01245-6
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