面向先进电子学的具有低扩散势垒的超离子氟化物栅极介质

当传统介质在接近击穿极限时面临漏电问题时，探索具有大电容耦合的新型介质成为现代电子学中的一个重要课题。为了应对这一迫在眉睫的挑战，我们证明了具有极低离子迁移势垒的稀土金属氟化物通常可以表现出超过 20 $\mu$F cm$^{-2}$ 的优异电容耦合（等效氧化层厚度约为 0.15 nm，有效介电常数接近 30），并且与可扩展的器件制造工艺具有极好的兼容性。MoS$_2$ 晶体管展示了这种超离子氟化物的静态介电能力，其开关电流比超过 10$^8$，亚阈值摆幅低至 65 mV dec$^{-1}$，漏电流密度低至约 10$^{-6}$ A cm$^{-2}$。因此，与传统介质相比，氟化物栅极逻辑反相器可以实现显著更高的静态电压增益，超过约 167。此外，氟化物栅极的应用使得能够展示具有低静态能耗的 NAND、NOR、AND 和 OR 逻辑电路。值得注意的是，在纯净极限下的 Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+\delta}$ 中的超导-绝缘体转变也可以通过氟化物栅极来实现。我们的发现突出了氟化物介质作为先进电子学应用以及调控凝聚态物质中新兴电子态的开创性平台。