高 k 介质与 2D MoS2 之间的原子级薄膜界面
材料科学
2025-07-25 v1 应用物理
摘要
原子级薄的过渡金属硫化物（TMD）因其卓越的尺寸比例特性，被视为下一代晶体管通道的有前景的候选材料。然而，薄型栅极介质的集成仍是一个挑战，因为传统氧化物（如 SiO2、Al2O3 和 HfO2）倾向于无意中掺杂 2D TMD 并引入界面缺陷态，导致晶体管性能不佳且阈值电压不稳定。本文展示了氧化锆（ZrO2）——一种兼容半导体加工的高 k 介质——能与单层 MoS2 形成原子级薄膜界面。通过软硬 X 射线光谱和密度泛函理论，我们发现 ZrO2 与 MoS2 之间不存在可测量的相互作用，与 SiO2 和 HfO2 基片上显著掺杂现象不同。因此，使用 ZrO2 介质制造的单层 MoS2 背栅场效应管（FET）表现出稳定且正向的阈值电压（0.36 ± 0.3 V），低亚阈值摆幅（75 mV/decade），以及超过 400 微安的高 ON 携流电流。我们进一步演示了使用抑制电子掺杂的 ZrO2 介质制造 p型 WSe2 FET，器件 ON 携流电流可超过 200 微安/微米。原子分辨率成像确认了无缺陷的 ZrO2/MoS2 界面，使其可实现等效氧化物厚度为 0.86 纳米、亚阈值摆幅为 80 mV/decade 的栅极场效应管。此外，超干净的 ZrO2/MoS2 界面允许通过栅极金属功函数工程有效调控阈值电压。这些发现表明，ZrO2 作为一种高度有前景的、行业兼容的高 k 介质，为可扩展的 2D TMD 无线电子器件提供了可靠的材料基础。
引用
@article{arxiv.2507.18010,
title = {Ultra-clean interface between high k dielectric and 2D MoS2},
author = {Han Yan and Yan Wang and Yang Li and Dibya Phuyal and Lixin Liu and Hailing Guo and Yuzheng Guo and Tien-Lin Lee and Min Hyuk Kim and Hu Young Jeong and Manish Chhowalla},
journal= {arXiv preprint arXiv:2507.18010},
year = {2025}
}
备注
30 pages