研究背景
隨著現代電子學的迅猛發展和半導體器件超大規模集成化趨勢，傳統氧化物電介質（如二氧化硅）受到介電擊穿場強的限制，阻礙了場效應晶體管尺寸的進一步縮小。近年來，基于膠體化學“界面電雙層”概念發展起來的新型離子液體電雙層調控技術能夠實現巨大的電容耦合，并在低工作電壓下調控材料表面的載流子濃度，這為調控材料電子態和凝聚態物理中的強關聯量子現象提供了有效手段。然而，這些有機離子電解質通常無法與現有半導體制造工藝兼容，使得基于界面電雙層效應的電介質難以集成到現代電子器件中。為解決這一問題，南京大學袁洪濤教授，楊玉榮副教授，清華大學薛其坤教授和美國斯坦福大學崔屹教授聯合在“Nature Nanotechnology”期刊上發表了題為“Superionic fluoride gate dielectrics with low diffusion barrier for two-dimensional electronics”的最新論文。他們開發出了一種以氟化鑭為代表的超離子固態氟化物介電薄膜材料家族。這些氟化物介電材料表現出優異的性能，包括大電容耦合、高擊穿場強、極低的等效氧化層厚度等。作者通過將固態超離子氟化物作為電介質與二維半導體材料MoS2相結合，他們實現了高性能的電雙層場效應晶體管，并構建了各種邏輯門電路，展示了該技術在先進電子器件和量子材料關聯物態調控中的巨大潛力。這項研究成果為大規模集成電路的發展提供了新的可能性，同時也為研究者提供了新的思路和方向。
科學亮點
（1）本文首次探索了固態超離子氟化物薄膜作為高電容耦合的電介質材料。作者選擇稀土金屬氟化物作為代表，發現其具有超低的離子遷移壁壘，這在以往研究中尚未被報道。 （2）實驗結果表明，超離子氟化物薄膜在10 mHz頻率下的靜態電容性能可達到超過20 μF cm?2，相當于等效氧化物厚度約為0.15 nm。此外，當門電壓低于3.0 V時，這些氟化物薄膜的泄漏電流密度僅為10-6 A cm-2。（3）氟化物門控的MoS2晶體管展現出高達108以上的靜態開/關電流比，并且在±1.0 V的門電壓范圍內具有接近理想的亞閾值擺幅為65 mV dec-1。（4）通過將氟化物門控的n型MoS2和p型WSe2晶體管集成在一起，作者成功實現了邏輯電路，包括NOT、NAND、NOR、AND和OR操作，而這些操作的靜態能耗較低。（5）特別地，作者發現邏輯反相器的靜態電壓增益可高達167，超過了基于過渡金屬二硫化物的其他報道值。（6）最后，使用氟化物作為門電介質，作者展示了在Bi2Sr2CaCu2O8+δ（Bi-2212）中實現電驅動的超導-絕緣體轉變的可能性，這突顯了氟化物門控對量子材料中電子態的重要調控性。
圖文解讀
圖1：氟化物電介質目錄的晶體結構、電介質特性和F-離子遷移。圖3. 基于n型MoS2和p型WSe2晶體管的CMOS反相器。 圖 4. 基于氟化物門控的n型MoS2和p型WSe2晶體管的線性邏輯。圖 5. 通過氟化物門控在Bi-2212中連續調節超導-絕緣體轉變。
研究結論
本文揭示了氟化物基超離子電介質的出色性能和潛在應用，為電子器件領域帶來了新的科學啟迪。首先，通過氟化物電介質的優異性能，特別是其高電容耦合和門控能力，解決了傳統氧化物電介質在性能限制方面的問題，為電子器件的高性能操作提供了可能性。其次，揭示了F-離子遷移機制的通用性，為尋找其他大電容耦合電介質材料提供了理論指導。此外，通過氟化物門控技術，成功實現了對半導體和量子材料電子態的調控，拓展了量子材料在電子學中的應用領域。最后，對氟化物門控晶體管的性能優化和晶圓尺度制備提出了展望，為制造先進電子設備和功能器件提供了新的材料平臺和制備方法。這些啟示為未來電子學研究和器件應用提供了新的思路和方向。Meng, K., Li, Z., Chen, P. et al. Superionic fluoride gate dielectrics with low diffusion barrier for two-dimensional electronics. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01675-5
