单晶Bi?TeO?作为二维晶体管的高κ介电材料

《Materials Today Nano》：Single-crystalline Bi 2TeO 5 as high- κ dielectric for two-dimensional transistors

二维电子器件中，Bi?TeO?纳米片通过化学气相沉积法实现单晶生长，介电常数达15，禁带宽度3.0 eV，其MIM器件击穿电压超40 V，漏电流低于10?? A/cm2，与MoS?集成后FET表现出10?量级开关比、94 mV/dec亚阈值摆幅和300-450 K热稳定性。

　　

王晓伟|唐磊|孙宇晨|韩梦娇|孔凌刚|徐润章|王静春|刘浩|李颖|常宇峰|陈子玲|李文波|严晓琴|梁启杰

北京科技大学材料科学与工程学院，中国北京100083

摘要

在二维（2D）电子设备中，层状单晶高介电常数（高κ）材料有望实现与2D通道材料的理想界面匹配，从而进一步提高设备的可靠性和载流子迁移率。然而，高κ介电材料的带隙宽度通常与其介电常数成反比，这在同时追求高击穿强度和绝缘性能方面带来了挑战。因此，需要在介电常数和禁带宽度之间找到平衡，以实现高效的栅极电容耦合和可靠的绝缘特性。在此，我们采用化学气相沉积法制备了介电常数约为15、带隙为3.0 eV的单晶Bi₂TeO₅纳米片。基于Bi₂TeO₅的金属-绝缘体-金属结构显示出超过40 V的场强耐受性（面积范围为8-18 μm²），以及低于10^-6 A cm^-2的最小栅极漏电流（有效氧化层厚度EOT =20 nm）。随后，将顶部栅极采用Bi₂TeO₅/MoS₂场效应晶体管进行集成，结果显示其开/关电流比为10⁷，在0.35 V s^-1（V_DS=0.5 V）时归一化迟滞窗口为2.44 mV nm^-1，并具有出色的热稳定性（300-450 K）。我们的工作证实了Bi₂TeO₅作为微纳器件介电材料的潜力，丰富了2D介电材料的种类。

引言

二维半导体具有原子级厚度和本质上最小的悬挂键，因此具备出色的静电控制能力。此外，通过有效的界面工程减少界面散射，它们成为理想的晶体管通道材料。然而，由于二维半导体的化学表面惰性，缺乏与它们兼容的介电材料（具有范德华（vdW）界面）。传统的非晶态二维介电材料主要通过原子层沉积工艺制备，但这需要预处理来激活二维半导体表面，而预处理会破坏通道表面的晶体结构，导致界面散射增加和整体栅极电容降低。因此，如何实现介电材料与二维半导体的高质量集成一直是科学研究的热点。自2010年以来，Deane等人首次通过vdW集成技术将二维石墨烯与h-BN堆叠，形成了无需化学键合的高质量界面，显著提升了石墨烯器件的电性能。这一突破为将高κ介电材料集成到二维场效应晶体管（FET）中开辟了新的途径。

与传统非晶态高κ栅极介电材料（如HfO₂、Al₂O₃等）相比，单晶介电材料具有更低的缺陷密度，从而展现出更优异的介电性能（如高介电常数），并且通常在击穿特性和热稳定性方面也优于相同厚度的非晶态材料。近年来，许多单晶二元和三元金属氧化物（如Ga₂O₃、Gd₂O₅、Bi₂SeO₅、Bi₂SiO₅、MgNb₂O₆等）受到了广泛研究。例如，Yin等人提出了一种介电常数约为25.5、带隙为5.68 eV的二维单晶Gd₂O₅，用作MoS₂ FET的介电层，显示出超过10⁸的开/关电流比和接近玻尔兹曼极限的亚阈值摆幅（SS）。此外，Zhu等人最近报道了具有高击穿性能和介电常数的原子级薄MgNb₂O₆单晶。集成MgNb₂O₆栅极介电层的单层MoS₂ FET在室温至500 K的温度范围内表现出良好的电可靠性和热稳定性。这些成果促进了二维高κ栅极介电材料的发展，提高了晶体管的可靠性。然而，高性能栅极介电材料的发展面临关键挑战：（1）传统的合成方法（如化学气相传输）通常需要高温（> 800 °C）和长时间处理（> 72 h），导致能耗和时间成本较高；（2）稀土元素（如La、Gd、Ce）的引入因其化学反应性和环境持久性而带来安全隐患；（3）大多数现有介电材料在薄膜结晶度、击穿特性和绝缘性能之间存在根本性的性能权衡。这些限制凸显了开发创新合成策略的迫切需求，以便通过可扩展、节能的方法制备高性能栅极介电材料。

Bi₂TeO₅作为一种新兴的二维铁电材料，在微纳电子设备中具有广泛的应用潜力，因为它在室温下具有稳定的平面铁电性，并且其铁电畴结构可控性强。最近，Li等人首次将其用作栅极介电材料，验证了其优异的介电性能和明显的各向异性。利用它作为栅极介电材料展示了出色的电性能。然而，对其介电特性和出色的热稳定性的进一步研究尚未开展。在本研究中，我们在700 °C的惰性气氛下，通过化学气相沉积（CVD）在云母基底上生长了纵向尺寸为10-30 μm、厚度集中在31.7 nm的单晶Bi₂TeO₅纳米片。Bi₂TeO₅具有高介电常数（约15）、约3.0 eV的带隙以及在300 K至450 K范围内的热稳定性。此外，基于Bi₂TeO₅的金属-绝缘体-金属（MIM）器件表现出厚度依赖的特性和优异的电稳定性，击穿电压超过40 V（58 nm，扫描速率为2.35 V s^-1，EOT=20 nm，面积范围为8-18 μm²），优于迄今为止报道的大多数介电材料。这使得Bi₂TeO₅成为未来高功率、高电压电子组件的理想候选材料。值得注意的是，将Bi₂TeO₅纳米片与MoS₂vdW集成，制备的Bi₂TeO₅/MoS₂ FET具有10⁷的开/关电流比、94 mV?dec^-1的亚阈值摆幅（SS）、在0.35 V s^-1（V_DS=0.5 V）时归一化迟滞窗口为2.44 mV nm^-1，以及在300至450 K的宽温度范围内的电可靠性。总体而言，本研究确立了Bi₂TeO₅作为二维纳米电子学中高性能高κ介电材料的潜力，展示了其在介电工程中的关键应用价值。

结果与讨论

Bi₂TeO₅是一种在室温下属于Aem2空间群的正交晶体系统的晶体材料。如图1A所示，Bi₂TeO₅晶体的晶格常数为a=5.5245 ?、b=16.458 ?和c=11.572 ?。在这种情况下，Bi原子和Te原子沿c轴周期性重复排列，通过氧桥连接形成层状稳定结构。具体而言，Bi原子与氧原子结合形成扭曲的[BiO₆]八面体，而Te原子采用[TeO₄]四面体结构。

结论

总之，本研究通过结合材料本身的优越性和工程化的界面完美性，证明了CVD生长的2D Bi₂TeO₅单晶是一种高κ介电材料。一方面，结构稳定的单晶纳米片实现了介电常数和击穿特性之间的最佳平衡；另一方面，当作为MoS₂ FET的介电材料使用时，范德华整合的异质结构表现出理想的器件性能。

单晶Bi₂TeO₅纳米片的生长与转移

Bi₂TeO₅纳米片的生长是在1英寸石英管中通过化学气相沉积（CVD）进行的，反应基底为氟金云母（KMg₃(AlSi₃O₁₀)F₂）。通常使用Bi₂O₃粉末（99.99%，Macklin）和Te粉末（99.99%，Macklin）作为前驱体，并分别装入陶瓷坩埚中。其中，0.4 g的Te粉末放置在距离中心区域8 cm的位置，0.1 g的Bi₂O₃粉末放置在管式炉中以加热中心区域。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2024YFA1211400、2022YFA1203903）、国家自然科学基金（编号：52302190、52572179、62304146、52202184）以及广东省基础与应用基础研究基金（编号：2023B1515120041、2024A1515010051、2023A1515140154、2024A1515012200）的支持。