2D-Flossenfeld

Nature Band 616, Seiten 66–72 (2023)Diesen Artikel zitieren

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Eine Verlagskorrektur zu diesem Artikel wurde am 3. Mai 2023 veröffentlicht

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Die präzise Integration von zweidimensionalen (2D) Halbleitern und Gate-Oxiden mit hoher Dielektrizitätskonstante (k) in dreidimensionale (3D) Arrays mit vertikaler Architektur ist vielversprechend für die Entwicklung ultraskalierter Transistoren1,2,3,4,5, hat sich jedoch bewährt herausfordernd. Hier berichten wir über die epitaktische Synthese vertikal ausgerichteter Arrays aus 2D-Fin-Oxid-Heterostrukturen, einer neuen Klasse von 3D-Architekturen, in der hochbewegliche 2D-Halbleiterfinne Bi2O2Se und einkristallines High-k-Gateoxid Bi2SeO5 epitaktisch integriert sind. Diese epitaktischen 2D-Fin-Oxid-Heterostrukturen verfügen über atomar flache Grenzflächen und eine ultradünne Finnendicke bis zu einer Elementarzelle (1,2 nm), wodurch ein ortsspezifisches und hochdichtes Wachstum monoorientierter Arrays im Wafer-Maßstab erreicht wird. Die so hergestellten 2D-Rippen-Feldeffekttransistoren (FinFETs) auf Basis epitaktischer Bi2O2Se/Bi2SeO5-Heterostrukturen weisen eine hohe Elektronenmobilität (μ) von bis zu 270 cm2 V−1 s−1 und einen extrem niedrigen Sperrstrom (IOFF) von bis zu etwa 1 auf pA μm-1, hohe Ein-/Aus-Stromverhältnisse (ION/IOFF) von bis zu 108 und hoher Durchlassstrom (ION) von bis zu 830 μA μm-1 bei einer Kanallänge von 400 nm, die den projizierten Low-Power-Spezifikationen entsprechen durch die International Roadmap for Devices and Systems (IRDS)6. Die epitaktischen 2D-Fin-Oxid-Heterostrukturen eröffnen neue Möglichkeiten für die weitere Erweiterung des Mooreschen Gesetzes.

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Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Alle Rechendaten sind im Manuskript dargestellt. Alle DFT-Berechnungen wurden mit VASP durchgeführt, das unter https://www.vasp.at/ kommerziell erhältlich ist.

Eine Korrektur zu diesem Artikel wurde veröffentlicht: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06093-6

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Wir danken C. Qiu und J. Jiang für ihre Hilfe bei der Geräteherstellung und die hilfreiche Diskussion. Wir danken dem Molecular Materials and Nanofabrication Laboratory (MMNL) am College of Chemistry and Molecular Engineering der Universität Peking für die Nutzung der Instrumente. Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (21733001, 21920102004, 52021006, 22205011, 92164205 und 22105009), dem Nationalen Programm für Schlüsselforschungen und Entwicklung des Nationalen Forschung und der Entwicklung (2021yfa1202901), Beijing-Labor für Molekularwissenschaften (BNLMSCSCENCENS (BNLMSCXTD-202001) und BNLSMSCISCENCENS (BNLMSCILDSCILDS (BNLMSCXTD-202001)) unterstützt. die Tencent Foundation (Der XPLORER-PREIS). CT dankt der China Postdoctoral Science Foundation und dem Boya Postdoctoral Fellowship für die Unterstützung. FD und YY danken dem Institute for Basic Science (IBS-R019-D1) der Republik Korea.

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Congwei Tan, Mengshi Yu, Junchuan Tang, Xiaoyin Gao

Zentrum für Nanochemie, Beijing Science and Engineering Center for Nanocarbons, Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Peking, China

Congwei Tan, Mengshi Yu, Junchuan Tang, Xiaoyin Gao, Yichi Zhang, Jingyue Wang, Congcong Zhang, Xuehan Zhou, Liming Zheng, Hongtao Liu und Hailin Peng

Zentrum für mehrdimensionale Kohlenstoffmaterialien, Institut für Grundlagenwissenschaften, Ulsan, Südkorea

Yuling Yin und Feng Ding

School of Materials Science and Engineering, Ulsan National Institute of Science and Technology, Ulsan, Südkorea

Yuling Yin und Feng Ding

Staatliches Schlüssellabor für niederdimensionale Quantenphysik, Fachbereich Physik, Tsinghua-Universität, Peking, China

Xinyu Gao & Kaili Jiang

Tsinghua-Foxconn Nanotechnology Research Center, Tsinghua-Universität, Peking, China

Xinyu Gao & Kaili Jiang

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HP und CT konzipierten das Projekt und gestalteten die Experimente. CT und MY führten die Synthese der 2D-Finnen und 2D-Finnenoxid-Heterostrukturen durch. CT, YZ und MY haben die ultradünnen 2D-Lamellen vorbereitet. Xiaoyin Gao und CT führten die Charakterisierungen durch STEM und energiedispersive Spektroskopie durch und analysierten die Ergebnisse. Xinyu Gao, KJ und CT führten die hochauflösenden SEM-Charakterisierungen durch. CT, JT und JW waren an der Geräteherstellung und elektrischen Charakterisierung beteiligt. FD und YY führten die theoretischen Berechnungen durch. CZ, XZ, LZ und HL lieferten die Datenanalyse und Vorschläge. CT und HP haben das Manuskript mitgeschrieben. HP hat diese Forschung überwacht. Alle Autoren beteiligten sich an den Diskussionen.

Korrespondenz mit Hailin Peng.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature dankt Haozhe Wang und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

a–c, 3D-Darstellung (a), Draufsicht (b) und Seitenansicht (c) der Bi2O2Se-Kristallstruktur. d–f, 3D-Darstellung (d), Draufsicht (e) und Seitenansicht (f) der Bi2SeO5-Kristallstruktur. Beachten Sie, dass die Gitterparameter und die Positionen der Bi- und Se-Atome in der geschichteten Bi2SeO5-Kristallstruktur experimentell bestimmt werden. Die O-Positionen in den [SeO3]2−-Schichten werden jedoch aus der Kombination von Gitterparametern, räumlichen Beziehungen und der Koordination von Se-O abgeleitet, da das leichte Atom O durch fortgeschrittenere experimentelle Messungen genau bestätigt werden muss22. g,h, 3D-Darstellung (g) und (100)-Facettengitter (h) der LaAlO3-Kristallstruktur. i,j, 3D-Darstellung (i) und (110)-Facettengitter (j) der MgO-Kristallstruktur.

Die hochbeweglichen 2D-geschichteten Bi2O2Se-Rippen werden zunächst durch chemische Dampfsynthese epitaktisch als Rückgrat hergestellt, da die ${[{{\rm{Bi}}}_{2}{{\rm{O}}}_{ 2}]}_{{n}}^{2{n}+}$ Schichten aus Bi2O2Se-Kristallen haben viele freie Bindungen an zwei Seitenkanten, die sich leicht mit aktiven Atomen verbinden können, die direkt von den Substratoberflächen kommen und die starken Bindungen bilden Edge-Bonding-Schnittstellen. Die Epitaxie der 2D-Bi2O2Se-Finnen wurde durch die vertikal ausgerichteten Kerne und das anisotrope Wachstum ausgelöst. Darüber hinaus wurden Bi2O2Se-Kristalle mittels einer Niedertemperatur-Interkalationschemie frontal zu einem Bi2SeO5-Dielektrikum mit hohem k oxidiert. Bi2SeO5 kapselt epitaktisch über 2D-geschichteten Bi2O2Se-Rippen, um die 2D-Rippenoxid-Heterostrukturen auf isolierten Substraten zu bilden.

a, Foto des selbstgebauten CVD-Systems, das für das vertikale Wachstum von 2D-Bi2O2Se-Lamellenanordnungen verwendet wird. b, Temperaturgradientenprofil in der Mitte eines Quarzrohrs, wenn die Ofentemperatur auf 640 °C eingestellt ist. c–e, Schematische und REM-Bilder der vertikalen 2D-Bi2O2Se-Lamellenanordnungen, die durch die vertikale Co-Verdampfungsmethode synthetisiert wurden. f,g, Schematische Darstellung und SEM-Bild der vertikalen 2D-Bi2O2Se-Lamellenanordnungen, die durch die Gastransportmethode synthetisiert wurden. h,i, Schematische Darstellung und SEM-Bild der vertikalen 2D-Bi2O2Se-Lamellenanordnungen, die durch die Oxidationsmethode synthetisiert wurden.

a, Schematische Darstellung des anisotropen Wachstums vertikaler 2D-Bi2O2Se-Finnen. b,c: Kristallographische Modellierung der Grenzflächenatomanordnung zwischen der Bi2O2Se-Rippe und dem LaAlO3 (100)-Substrat im Querschnitt. d: Gitteranpassung in der Ebene zwischen der Bi2O2Se-Rippe und dem LaAlO3 (100)-Substrat. e–h, Schemata (e), AFM (f) und geneigte SEM-Bilder (g, h) einer vertikalen 2D-Bi2O2Se-Flosse, synthetisiert mit unterschiedlichen Wachstumszeiten von 10 s, 1 min und 5 min. Beachten Sie, dass die Probe und das isolierende Substrat mit einem transparenten und leitenden Film aus Kohlenstoffnanoröhren beschichtet waren, um den Aufladungseffekt während der REM-Bildgebung zu eliminieren57. i,j, geneigte SEM-Bilder von Flossen mit unterschiedlichem Seitenverhältnis, erhalten mit 0 bzw. 40 ppm O2. Die Wachstumszeit beträgt ca. 10 s. k, Statistik für das Seitenverhältnis von Flossen als Funktion der Sauerstoffkonzentration. l, Statistiken für Flossenhöhe und Flossendicke als Funktion der Sauerstoffkonzentration. m,n, Das AFM-Bild und das entsprechende Profil einer 10 nm dicken 2D-Flosse mit einem Seitenverhältnis von etwa 10, übertragen auf Glimmersubstrate. Das hohe Aspektverhältnis (Rippenhöhe/-dicke) wird durch anisotropes Wachstum geschichteter 2D-Rippen induziert, das durch Abstimmung der Sauerstoffkonzentration während des Wachstums weiter modifiziert werden kann. Als die Sauerstoffkonzentration von 0 ppm auf etwa 40 ppm geändert wurde, verringerte sich das Aspektverhältnis der 2D-Rippen von etwa 50 auf etwa 8. Der mögliche Grund für das obige Phänomen hängt wahrscheinlich mit der Sauerstoffabsorption auf der Substratoberfläche während des Keimbildungsprozesses zusammen von 2D-Flossen. Wenn die Sauerstoffkonzentration relativ hoch ist, ist die Absorptionsrate des Sauerstoffs auf der Substratoberfläche relativ hoch, sodass sich die absorbierten Vorläufer mit größerer Wahrscheinlichkeit auf dem Substrat ansammeln und Keime bilden und dann zu relativ dicken 2D-Bi2O2Se-Finnen kristallisieren, was zu einem kleineren Aspekt führt Verhältnis. Auch nach einer weiteren Verkürzung der Wachstumszeit beträgt das Aspektverhältnis der 10 nm dicken 2D-Finne etwa 10, was mit der Si-Finne nach dem Stand der Technik (ebenfalls etwa 10) vergleichbar ist10.

a,b: Optimierte Strukturen von 2D-geschichteten Bi2O2Se-Inseln auf der LaAlO3 (100)-Oberfläche, in denen auch der Unterschied der Grenzflächenwechselwirkungen gezeigt wird. Die Berechnungen zeigten eine direkte Kantenbindung des ungesättigten ${[{{\rm{Bi}}}_{2}{{\rm{O}}}_{2}]}_{{n}}^{2 {n}+}$-Schichten zum Substrat im vertikalen Keimbildungsprozess von 2D-Bi2O2Se-Finnen. c, DFT-Berechnungen der Bindungsenergien einer Bi2O2Se-Insel mit unterschiedlichen Keimbildungstypen auf den Oberflächen LaAlO3 (100) und MgO (110). Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass auf den LaAlO3 (100)- und MgO (110)-Oberflächen das vertikal ausgerichtete 2D-Bi2O2Se viel stabiler ist als das horizontal ausgerichtete, da es über die ${[{{\rm {Bi}}}_{2}{{\rm{O}}}_{2}]}_{{n}}^{2{n}+}$ Schichtkante. Wir kommen zu dem Schluss, dass die Keimbildung von vertikalem 2D-Bi2O2Se durch einen kantenbindungsgesteuerten Mechanismus gesteuert wird.

Mittels chemischer Dampfsynthese werden die 2D-geschichteten Bi2O2Se-Finnen zunächst epitaktisch als Grundgerüste hergestellt und dann teilweise und interkalativ zu 2D-geschichteten Bi2O2Se/Bi2SeO5-Fin-Oxid-Heterostruktur-Arrays auf LaAlO3 (100) (a,b), MgO (110) (c) oxidiert ,d), CaF2 (110) (e,f), LaAlO3 (110) (g,h), SrTiO3 (110) (i,j) und KTaO3 (110) (k,l) Substrate.

a: Hochaufgelöste STEM-Querschnittsaufnahme der Grenzflächenstrukturen zwischen der Heterostruktur und dem LaAlO3 (100)-Substrat. b,c, Experimentelles (b) und simuliertes (c) FFT-Muster von a, das die epitaktische Beziehung von Bi2O2Se, Bi2SeO5 und LaAlO3 zeigt. d, Hochaufgelöste STEM-Querschnittsaufnahme der Grenzflächenstrukturen zwischen der Bi2O2Se-Rippe und dem LaAlO3 (100)-Substrat. e, Dehnungskartierung (ɛxx), geschätzt aus einer gefilterten Version von Panel d. f, Hochwinkelige ringförmige Dunkelfeld-Rastertransmissionselektronenmikroskopie-Bilder (HAADF-STEM) der Bi2O2Se/LaAlO3-Grenzfläche mit Atommodell.

a–n, Übertragungs- und Ausgangskurven für Kanallängen von 400 nm bis 3.280 nm. o, Diagramm des Übertragungslängenmodells des Gesamtwiderstands (Rtot) gegenüber der Kanallänge (Lch) von 2D-Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2-FinFETs. Die Linien stellen lineare Anpassungen an Daten dar und der Achsenabschnitt wird verwendet, um den Kontaktwiderstand (RC) mithilfe der Gleichung Rtot = Rch + 2RC zu extrahieren, wobei Rch der Kanalwiderstand ist.

a, Schematische Darstellung eines 2D-FinFET, der ausschließlich mit Bi2SeO5-Dielektrikum hergestellt wurde. b: SEM-Bild mit geneigter Ansicht eines fertigen FinFET mit einer Kanallänge (Lch) von 3 μm. c,d, Übertragungs- (c) und Ausgangskurven (d) des FinFET in b.

a,b, Schematische Darstellung von 2D-FinFETs, hergestellt auf einer 2D-Bi2O2Se/Bi2SeO5-Fin-Oxid-Heterostruktur (a) und einer 2D-Bi2O2Se-Fin (b). c,d, Transferkurven von hergestellten 2D-Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2-FinFETs (c) und 2D-Bi2O2Se/HfO2-FinFETs (d) mit einer Kanallänge von 1,5 μm. e, Transkonduktanz (gm) als Funktion der Gate-Spannungen für 2D Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2- und Bi2O2Se/HfO2-FinFETs. f, Feldeffektmobilität (μ) als Funktion der Gate-Spannungen für 2D Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2- und Bi2O2Se/HfO2-FinFETs.

Diese Datei enthält die ergänzenden Abbildungen 1–9 und die ergänzende Tabelle 1.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tan, C., Yu, M., Tang, J. et al. 2D-Rippen-Feldeffekttransistoren mit integriertem epitaktischem High-k-Gate-Oxid. Natur 616, 66–72 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05797-z

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Eingegangen: 01. Februar 2022

Angenommen: 06. Februar 2023

Veröffentlicht: 22. März 2023

Ausgabedatum: 06. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05797-z

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