方晓生课题组在二维氧化物高κ电介质集成研究中取得进展

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2024年3月1日，材料科学系方晓生课题组在《自然—电子学》（Nature Electronics）发表论文，报道了在二维氧化物光敏高κ电介质集成研究中取得的相关进展。
二维半导体材料具有原子级厚度和独特的理化性质，是构成未来高性能、低功耗微型电子器件的重要候选之一。基于二维半导体材料的微型电子器件的发展，也对栅极介质提出了更高的要求，需要更高的栅极电容以提高器件性能并降低功耗。使用高介电常数（高κ）栅极电介质是常用的提高栅极电容的方法，并且有望避免由于电介质厚度的降低引起的强栅极漏电流。然而，二维半导体与高κ电介质的有效集成仍然面临重大挑战。一方面，由于二维材料的表面无悬挂键，在其表面不易均匀沉积高κ电介质，难以形成高质量半导体/栅介质界面；另一方面，无损的转移–集成策略需要制备具有平坦表面的自支撑高κ电介质，对于三维电介质来说，这往往需要复杂苛刻的生长条件。此外，同时具备高介电常数、低漏电流和优异光电性质的电介质依然较为缺乏。因此，寻找兼具高介电常数、合适晶体结构和禁带宽度的新型电介质，成为构筑高性能微型光电子器件的关键课题。
       最近，我系方晓生课题组报道了利用兼具高介电常数与合适禁带宽度的二维钙钛矿型氧化物Sr2Nb3O10作为一种光敏高κ电介质。通过自上而下的方法，制备的钙钛矿型氧化物Sr2Nb3O10可与多种二维半导体材料沟道（包括二硫化钼、二硫化钨和二硒化钨等）实现无损集成。该器件结构可实现对沟道的高效栅极调控，在2V电源电压下展现出106的开关比和88 mV dec-1亚阈值摆幅。同时，光敏高κ电介质Sr2Nb3O10在光照下展现出栅极控制和光电性能增强的双重作用，复合光电晶体管展现出优异的光电性能。该工作揭示了钙钛矿型氧化物在二维光电子学及双波段光探测领域的巨大潜力。

图1. 二维钙钛矿型氧化物Sr2Nb3O10的制备与表征

        研究团队利用自上而下的合成策略，从Dion-Jacobson型层状钙钛矿氧化物前体CsSr2Nb3O10制备二维钙钛矿Sr2Nb3O10，由于其本征的二维层状结构，可以简便地制备成具有平坦表面的自支撑二维钙钛矿纳米片，与各类二维半导体实现范德华集成（图1），无需复杂的沉积、外延等工艺，保证了高质量半导体/栅介质界面。通过表征，发现Sr2Nb3O10兼具高介电常数与适中带隙等诸多优势。利用无损的转移–集成策略，该钙钛矿高κ电介质Sr2Nb3O10可与多种二维半导体材料构建双栅极场效应晶体管 (FET)，对半导体沟道展现出高效栅极调控。具有Sr2Nb3O10顶栅介质层的MoS2晶体管在2V的电源电压下表现出106的电流开关比和88mV/dec的亚阈值摆幅。
       同时，钙钛矿型氧化物Sr2Nb3O10可以作为一种兼具高介电常数与合适禁带宽度的光敏高κ电介质，调控光电晶体管的性能。该高κ电介质不仅能通过栅极控制，有效抑制器件暗电流，降低器件噪声，还可选择性吸收紫外光，产生栅极光电流，并通过电荷转移，大幅增强半导体沟道的光电响应。得益于此，研究团队构筑了具有Sr2Nb3O10氧化物顶栅介质层的光电晶体管，在光照下表现出106的光暗电流比和高于5000 A/W的响应度。研究团队进一步利用顶栅介质和二维材料沟道带隙的差异，在单一器件中实现了双波长光探测，可在不同端口分别输出紫外和可见光响应信号。
        该工作研究了二维钙钛矿氧化物光敏高κ电介质与二维材料沟道的集成，讨论了高κ电介质对沟道的栅极控制与光电性能增强的双重作用，揭示出钙钛矿型氧化物在二维光电子学及双波段光探测领域的巨大潜力。今后，通过合理设计，与光敏高κ电介质的集成策略可进一步拓展至其他潜在材料体系，构建多功能异质结构和高性能光电子器件。
       方晓生课题组硕士毕业生李思远与博士毕业生刘欣亚为论文共同第一作者，方晓生教授为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、上海市科委、复旦大学学科培优专项和聚合物分子工程国家重点实验室等资助与支持。
       论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01129-9
       文章来源：复旦大学
       方晓生，复旦大学材料科学系教授（教育部青年长江学者，中组部青年拔尖人才）。一直围绕无机半导体开展工作，从发展可控生长的纳米制造方法、研究其新颖的物理化学性质到开拓它们独特的光电探测器应用，重视规律性的探索。当前课题组的研究重点集中在低维纳米结构光电器件构筑和应用，意在探索简单适用的构筑方法/技术，组装低维纳米结构的光电器件，探索光电器件性能和纳米结构形貌、微结构等的相互内在构效关系，实现光探测器性能最佳化。到目前为止，和合作者一起，已发表科研论文170篇，被他引13000余次，H指数68，现任Journal of Physical Chemistry Letters等6个刊物的编委。