（通讯员 刘开朗 王箫侣）近日，由我校学术委员会主办的“2024年度华中科技大学重大学术进展”评选活动入选成果揭晓。我院翟天佑教授、刘开朗研究员、李渊教授、周兴教授、李会巧教授为主要完成人的成果“新型复合栅极介电材料的创制”成功入选。
材料科学与工程学院翟天佑教授与团队成员
研究背景
半导体电子器件和集成电路芯片技术是现代信息社会发展的基石。硅基集成电路在过去几十年遵循摩尔定律朝着高密度、高集成度的方向发展，其基本单元-场效应晶体管（FET）的尺寸不断微缩的同时性能不断提高。当前，硅基晶体管已接近其物理极限，摩尔定律面临空前挑战，亟需开发新型的半导体器件实现技术突破。二维半导体具有原子级厚度和高迁移率及优异的栅控特性，是构筑下一代晶体管和集成电路芯片的理想载体。《国际器件和系统路线图》（IRDS）已计划于2028年将其用于未来芯片的制造。然而，基于二维半导体的晶体管中高质量栅极介电材料的集成却面临着重大挑战。广泛用于硅基芯片的传统高κ介电材料（HfO2等）具有三维结构，与二维半导体界面不兼容，严重制约了二维晶体管的性能。如何在二维半导体上集成兼具高质量界面和高介电性质的介电材料是二维晶体管实际应用面临的重大技术难题。
针对上述难题，材料科学与工程学院、材料成形与模具技术全国重点实验室的翟天佑教授团队基于过去十余年在新型低维材料领域的研究积累，设计并构筑了一种新型的复合介电材料。他们利用无机分子晶体Sb2O3作为缓冲层构筑Sb2O3/HfO2复合介电层，在二维晶体管中实现了兼具高质量界面和高介电性质的介电层的规模化集成，成功克服了二维半导体器件领域介电层集成这一共识性难题。得益于高质量介电层的集成，二维晶体管的性能获得全面提升，多项关键性能指标达到了最优。
图1. Sb2O3/HfO2复合介电层的制备及表征。
成果描述
研究团队选用无机分子晶体Sb2O3作为范德华缓冲层，其以表面无悬挂键的笼状小分子为结构单元，在热蒸镀过程中分子发生升华，结构得以保持完整，从而与二维半导体形成无悬挂键的高质量界面。与此同时，Sb2O3的高亲水性可有效促进原子层沉积过程中前驱体的吸附以及高κ介电层（HfO2）的均匀沉积。利用无机分子晶体的以上特性，结合高κ介电材料优异的介电性质，即可构筑兼具高质量界面与高介电性能的复合介电层（图1）。该方法能在不同二维材料（石墨烯、MoS2等）表面实现超薄高κ介电层的均匀集成，并与二维半导体形成高质量界面，展现出极高的普适性；制备过程与半导体制造工艺完全兼容，易于实现规模化集成及工业化应用。
图2. 通过Sb2O3/HfO2复合介电层制备的二维晶体管器件的性能表征。
基于Sb2O3/HfO2复合介电层的二维场效应晶体管展现出优异的性能。介电层的等效氧化层厚度（EOT）可低至0.67 nm，为当前二维晶体管介电层的最低值。优异的界面质量降低了界面态密度，以二维MoS2为沟道的FET的亚阈值摆幅低至60 mV/dec，达到理论极限。晶体管阵列器件呈现出优异的均一性，满足二维晶体管规模化集成要求（图2）。
得益于复合介电材料超低的等效氧化层厚度与优异的界面质量，二维晶体管在0.4 V的超低工作电压下即可获得超过106的开关比，实现了对IRDS规划先进制程硅基晶体管（3nm制程FinFET）的超越，表现出目前场效应晶体管中的最高栅极控制效率（图3）。该研究攻克了二维晶体管中高质量介电层集成的难题，突破了长期以来制约二维晶体管发展的关键技术瓶颈，实现了二维晶体管中兼具高质量界面与高介电性质介电层的规模化集成，并研制了高性能、低功耗的二维晶体管器件，为推动二维半导体在未来集成电路芯片中的应用奠定了坚实的基础。
图3. 通过Sb2O3/HfO2复合介电层制备的二维晶体管器件与现有技术的对比。
该研究项目得到了南京大学王欣然教授团队在单层二维半导体薄膜制备方面给予的大力支持，得到了燕山大学聂安民教授在材料微观结构表征方面的帮助，得到了华中科技大学高义华教授在薄膜亲水性测试方面的支持，受到了国家自然科学基金项目资助和校分析测试中心支持。项目团队在此表示衷心感谢。
2023年以来，项目团队以华中科技大学为第一通讯作者单位在Nature Materials(1篇)、Chemical Reviews(1篇)、Advanced Materials(9篇)、Proceedings of the National Academy of Sciences(2篇)、Nature Communications(2篇)、Journal of the American Chemical Society(3篇)、Angewandte Chemie-International Edition(5篇)等期刊上发表SCI论文30余篇。
据悉，“2024年度华中科技大学重大学术进展”评选活动自今年4月启动，遵循公开、公平、公正以及宁缺毋滥原则，立足于宣传我校具有原创性、引领性的学术成果。此次入选的十项成果是我校本年度高水平科研成果的优秀代表，体现了我校“育人为本、创新是魂、责任以行”的办学理念、“明德、厚学、求是、创新”的校训精神，展现了我校学者胸怀祖国、服务人民、勇攀高峰、敢为人先的科学家精神。
编辑:王箫侣
审核、校对：孙伟
