二硫化物提供原子厚度的替代硅

【據nanotechweb網站9月14日報導】斯坦福大學的科學家在製造過程中嚴格控

制物質是否暴露於陽氣中，現已經從二維半導體中製造出了場效應晶體管（FET）。晶體管是原子的厚度，並受益於「本機」高k電介質，可實現低缺陷介面和低功耗操作。研究人員認為，這些器件可以幫助克服現代電子技術中由功耗引起的局限。

原生氧化物半導體-電介質平滑面

硅元素在五十多年來一直都是電子產品生廠商和研究者青睞的對象。該材料的中等帶隙使漏電流最小化，並提供了開關晶體管的能力，從而最大限度地降低功耗。硅極易接受摻雜劑從而形成p-n結，這一性質能夠創建太陽能電池和複雜電路。此外，與許多其他半導體不同，硅可以從二氧化硅（SiO 2）的存在中得到利用，二氧化硅（SiO2）是一種堅固耐用的天然絕緣體，可以實現硅組件之間良好的電氣離。

儘管矽片存在種種優勢，但提高處理器性能依舊很困難。歷史上，晶體管密度呈指數增長，這促進了計算能力的增強。然而，隨著晶體管尺寸進入納米尺度，諸如隧道效應的量子效應開始佔據總功耗。在過去十年中，摩爾定律和設計創新（包括使用應變）和用諸如氧化鉿（HfO 2）的高k電介質替代傳統二氧化硅的設計創新，這些促使處理器性能的提高。

超越硅

現在，斯坦福大學的Michal Mleczko，Eric Pop和他的同事已經製造了基於鉿和二硒化鋯（HfSe2和ZrSe2）三原子厚度的「二維」晶體層形成的半導體材料的場效應晶體管。這些材料即使在單層厚度下也表現出與硅相似的帶隙，從而能夠設計出原子厚度的電子元件。

受到對半導體需求的啟發，斯坦福大學的研究人員尋找到了HfO2和氧化鋯（ZrO2）的形成機制，這將在硅基微電子學中起到SiO2的作用。 研究人員發現透射電子顯微鏡（TEM）圖像顯示，當暴露於氧氣時，HfSe2和ZrSe2容易形成這種天然氧化物。此外，氧化物是在過去十年中在硅電子器件中精心實施的相同的高k電介質。促使天然形成的氧化物產生半導體和絕緣層之間具有低缺陷密度的界面。

研究人員分別使用沉積的天然氧化物（HfO 2，ZrO 2）或非天然絕緣體（氧化鋁，Al 2 O 3）製備晶體管。為了直接比較晶體管的性能，將電流作為柵極電壓的函數進行了測量，證明了器件的性能。這些測量表明，具有高k電介質的器件在半導體介電界面處表現出低得多的缺陷密度。

目前的挑戰來自於這兩種半導體材料易於形成氧化物的趨勢，因為這在氧存在的環境下會自發發生。此外，氧原子擴散通過氧化物晶格，意味著氧化物生長不是自限制的。器件製造過程中巨大的障礙就防止在環境中無意中把器件暴露於氧氣：器件和樣品必須保持在氮氣或真空中，以抑制無意的過量氧化物形成。未經檢查，氧化過程可能消耗整個半導體樣品，此過程類似於金屬的生鏽。

文章來自nanotechweb，原文題目為 Dichalcogenides offer atomically thin alternatives to silicon，由材料科技在線團隊匯總整理

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