台式ALD，Nat. Mater.！二维晶体管介电层集成研究取得重要进展
台式三维原子层沉积系统-ald
体积小巧，可放在实验桌上
多片4，6，8 英寸样品同时沉积
厚度均匀性高于99%
适合复杂/ 掺杂薄膜沉积
二维半导体表面沉积利器
......
随着现代半导体行业的发展，基于硅半导体的场效应晶体管（fet）的尺寸不断缩小，目前已经接近其物理极限。在新兴材料中，二维半导体可达到原子级厚度且保持高载流子迁移率，理论上可实现优异的栅极控制，因而被认为是用于下一代场效应晶体管的理想沟道材料。然而，由于二维半导体表面无悬挂键，很难在其表面集成高质量的介电层，这是目前该领域的重大难题。
为解决上述问题，华中科技大学翟天佑团队以无机分子晶体sb2o3作为缓冲层，发明了一种在二维材料表面集成超薄高k介电层的普适性方法。利用该缓冲层法制备的hfo2/sb2o3复合介电层可实现0.67 nm的等效氧化层厚度（eot），是目前报道的二维晶体管介电层中zui低的。高质量的界面降低了界面态密度，由单层mos2沟道和hfo2/sb2o3复合介电层构成的fet在0.4 v的超低工作电压下即可获得超过106的开关比，其栅极控制效率优于目前报道的其他所有fet。该项成果以“scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors”为题发表于国际高水平期刊nature materials。
sb2o3缓冲层的作用机理如下：一方面，sb2o3可与二维半导体间形成高质量的范德华界面；另一方面，sb2o3覆盖了二维材料原有的疏水表面，提供了高度亲水的表面，提升了与传统原子层沉积（ald）工艺的相容性，便于集成超薄高k介电层。图1a展示了在mos2二维半导体表面集成hfo2/sb2o3复合介电层的过程。作者利用热蒸镀法制备了sb2o3缓冲层，随后使用美国arradiance公司的gemstar系列台式原子层沉积(ald)系统制备了致密均匀的hfo2层（图1b）。此外，作者还利用该台式ald设备在mos2/sb2o3上生长了常见介电层al2o3和zro2(图1c, 1d)，证明了该方法的普适性。
图1. （a）在mos2二维半导体表面集成hfo2/sb2o3复合介电层的过程,(b)-(c)样品的afm图像。
随后，作者用第一性原理计算研究了sb2o3缓冲层对ald过程的促进原理。如图2a-2b所示，h2o分子在mos2表面的吸附距离为约3å,在sb2o3表面的吸附距离减小至约2å，接近于水中氢键的长度。同时，h2o分子在sb2o3表面的吸附能大幅高于在mos2表面的吸附能（图2c）。上述结果表明sb2o3缓冲层可促进ald过程中的前驱体吸附，有助于介电层的生长。
图2. h2o分子在(a)mos2和（b）sb2o3表面的吸附构型，（c）h2o分子在mos2和sb2o3表面的吸附能。
本文所使用的美国arradiance公司的gemstar系列台式原子层沉积系统如图3所示，在小巧的机身（78 * 56 * 28 cm）中集成了原子层沉积所需的所有功能，可容纳9片8英寸基片同时沉积。全系配备热壁，结合前驱体瓶加热，管路加热，横向喷头等设计，使温度均匀性高达99.9%，气流对温度影响减少到0.03%以下。高温度稳定度的设计不仅可在8英寸基体上实现厚度均匀的膜沉积（其厚度均匀性高于99%），而且适合对具有超高长径比孔径的3d结构进行均匀薄膜覆盖，在高达1500：1长径比微纳深孔内部也可均匀沉积。此外，该设备还具有节约前驱体原料，制备效率高，性价比高等优点。该设备已帮助国内外用户取得大量nature、science级别的研究成果。
图3. 美国arradiance公司生产的gemstar系列台式三维原子层沉积系统
参考文献：
[1]. scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors. nat. mater., 2023, doi:10.1038/s41563-023-01626-w
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为解决上述问题，华中科技大学翟天佑团队以无机分子晶体sb2o3作为缓冲层，发明了一种在二维材料表面集成超薄高k介电层的普适性方法。利用该缓冲层法制备的hfo2/sb2o3复合介电层可实现0.67 nm的等效氧化层厚度（eot），是目前报道的二维晶体管介电层中zui低的。高质量的界面降低了界面态密度，由单层mos2沟道和hfo2/sb2o3复合介电层构成的fet在0.4 v的超低工作电压下即可获得超过106的开关比，其栅极控制效率优于目前报道的其他所有fet。该项成果以“scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors”为题发表于国际高水平期刊nature materials。
sb2o3缓冲层的作用机理如下：一方面，sb2o3可与二维半导体间形成高质量的范德华界面；另一方面，sb2o3覆盖了二维材料原有的疏水表面，提供了高度亲水的表面，提升了与传统原子层沉积（ald）工艺的相容性，便于集成超薄高k介电层。图1a展示了在mos2二维半导体表面集成hfo2/sb2o3复合介电层的过程。作者利用热蒸镀法制备了sb2o3缓冲层，随后使用美国arradiance公司的gemstar系列台式原子层沉积(ald)系统制备了致密均匀的hfo2层（图1b）。此外，作者还利用该台式ald设备在mos2/sb2o3上生长了常见介电层al2o3和zro2(图1c, 1d)，证明了该方法的普适性。
图1. （a）在mos2二维半导体表面集成hfo2/sb2o3复合介电层的过程,(b)-(c)样品的afm图像。
随后，作者用第一性原理计算研究了sb2o3缓冲层对ald过程的促进原理。如图2a-2b所示，h2o分子在mos2表面的吸附距离为约3å,在sb2o3表面的吸附距离减小至约2å，接近于水中氢键的长度。同时，h2o分子在sb2o3表面的吸附能大幅高于在mos2表面的吸附能（图2c）。上述结果表明sb2o3缓冲层可促进ald过程中的前驱体吸附，有助于介电层的生长。
图2. h2o分子在(a)mos2和（b）sb2o3表面的吸附构型，（c）h2o分子在mos2和sb2o3表面的吸附能。
本文所使用的美国arradiance公司的gemstar系列台式原子层沉积系统如图3所示，在小巧的机身（78 * 56 * 28 cm）中集成了原子层沉积所需的所有功能，可容纳9片8英寸基片同时沉积。全系配备热壁，结合前驱体瓶加热，管路加热，横向喷头等设计，使温度均匀性高达99.9%，气流对温度影响减少到0.03%以下。高温度稳定度的设计不仅可在8英寸基体上实现厚度均匀的膜沉积（其厚度均匀性高于99%），而且适合对具有超高长径比孔径的3d结构进行均匀薄膜覆盖，在高达1500：1长径比微纳深孔内部也可均匀沉积。此外，该设备还具有节约前驱体原料，制备效率高，性价比高等优点。该设备已帮助国内外用户取得大量nature、science级别的研究成果。
图3. 美国arradiance公司生产的gemstar系列台式三维原子层沉积系统
参考文献：
[1]. scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors. nat. mater., 2023, doi:10.1038/s41563-023-01626-w
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