2Dフィンフィールド

Nature volume 616、pages 66–72 (2023)この記事を引用

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二次元 (2D) 半導体と高誘電率 (k) ゲート酸化物を三次元 (3D) 垂直構造アレイに正確に統合することは、超大型トランジスタの開発に有望である 1、2、3、4、5 が証明されています。挑戦的。今回我々は、高移動度の2D半導体フィンBi2O2Seと単結晶high-kゲート酸化物Bi2SeO5がエピタキシャル集積された新しいクラスの3Dアーキテクチャである2Dフィン酸化物ヘテロ構造の垂直に整列したアレイのエピタキシャル合成を報告する。これらの 2D フィン酸化物エピタキシャルヘテロ構造は、原子的に平坦な界面と 1 単位セル (1.2 nm) までの極薄フィン厚さを備えており、単一配向アレイのウェハスケールでサイト特異的かつ高密度の成長を実現します。 Bi2O2Se/Bi2SeO5 エピタキシャルヘテロ構造をベースにした製造直後の 2D フィン電界効果トランジスタ (FinFET) は、最大 270 cm2 V-1 s-1 の高い電子移動度 (μ)、約 1 までの超低オフ状態電流 (IOFF) を示します。チャネル長400nmでpAμm−1、最大108の高いオン/オフ電流比(ION/IOFF)、および400nmのチャネル長で最大830μAμm−1の高いオン状態電流(ION)を実現し、予測される低電力仕様を満たします。デバイスとシステムの国際ロードマップ (IRDS) による6。 2D フィン酸化物エピタキシャルヘテロ構造は、ムーアの法則をさらに拡張するための新しい道を開きます。

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この論文の訂正が公開されました: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06093-6

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デバイスの製造を支援し、有益な議論を提供してくれた C. Qiu と J. Jiang に感謝します。私たちは、北京大学化学分子工学部の分子材料・ナノ加工研究所 (MMNL) の機器の使用を認めます。この研究は、中国国家自然科学財団 (21733001、21920102004、52021006、22205011、92164205 および 22105009)、国家重点研究開発プログラム (2021YFA1202901)、北京国立分子科学研究所 (BNLMS-CXTD-202001) の支援を受けました。そしてテンセント財団 (XPLORER PRIZE)。 CTは、中国博士研究員科学財団とBoya博士研究員フェローシップからの支援に感謝します。 FD および YY は、大韓民国の基礎科学研究所 (IBS-R019-D1) を認めます。

これらの著者は同様に貢献しました: Congwei Tan、Mengshi Yu、Junchuan Tang、Xiaoyin Gao

北京科学技術ナノ化学センター北京大学化学分子工学院北京国立分子科学研究所ナノカーボンセンター（中国、北京）

Congwei Tan、Mengshi Yu、Junchuan Tang、Xiaoyin Gao、Yichi Zhang、Jingyue Wang、Congcong Zhang、Xuehan Zhou、Liming Zheng、Hongtao Liu & Hailin Peng

基礎科学研究所、多次元炭素材料センター、蔚山、韓国

ユーリン・イン＆フォン・ディン

蔚山国立科学技術院、材料科学工学院、蔚山、韓国

ユーリン・イン＆フォン・ディン

清華大学物理学部、低次元量子物理学の国家重点実験室、北京、中国

Gao Xinyu & Kaili Jiang

清華大学、北京、中国、清華フォックスコンナノテクノロジー研究センター

Gao Xinyu & Kaili Jiang

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HP と CT はこのプロジェクトを発案し、実験を設計しました。 CT と MY は 2D フィンと 2D フィン酸化物ヘテロ構造の合成を実行しました。 CT、YZ、MYは極薄の2Dフィンを用意しました。 Xiaoyin Gao と CT は、STEM とエネルギー分散分光法の特性評価を実施し、結果を分析しました。 Xinyu Gao、KJ、および CT は、高解像度 SEM 特性評価を実行しました。 CT、JT、JW はデバイスの製造と電気的特性評価に携わりました。理論計算はFDとYYが行いました。 CZ、XZ、LZ、HL がデータ分析と提案を提供しました。 CT と HP は原稿を共同執筆しました。 HP がこの調査を監督しました。すべての著者がディスカッションに貢献しました。

彭海林氏との通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature は、この研究の査読に貢献してくれた Haozhe Wang と他の匿名の査読者に感謝します。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

a ～ c、Bi2O2Se 結晶構造の 3D 表示 (a)、上面図 (b)、および側面図 (c)。 Bi2SeO5 結晶構造の d ～ f、3D 表示 (d)、上面図 (e)、および側面図 (f)。層状 Bi2SeO5 結晶構造における格子パラメータと Bi 原子と Se 原子の位置は実験的に決定されることに注意してください。ただし、軽原子 O はより高度な実験測定によって正確に確認する必要があるため、[SeO3]2- 層内の O の位置は、格子パラメータ、空間関係、Se-O の配位の組み合わせから推測されます22。 g、h、LaAlO3 結晶構造の 3D 表示 (g) および (100) ファセット格子 (h)。 i、j、MgO 結晶構造の 3D 表現 (i) および (110) ファセット格子 (j)。

高移動度の 2D 層状 Bi2O2Se フィンは、最初に化学気相合成によってバックボーンとしてエピタキシャルに調製されます。 2}]}_{{n}}^{2{n}+}\) Bi2O2Se 結晶の層には、2 つの側端に多くのダングリングボンドがあり、基板表面から直接来る活性原子と容易に結合し、強力な原子を形成します。エッジボンディングインターフェイス。 2D Bi2O2Se フィンのエピタキシーは、垂直方向に配向した核と異方性成長によって引き起こされました。さらに、Bi2O2Se 結晶は、低温インターカレーション化学によって high-k Bi2SeO5 誘電体に面酸化されました。 Bi2SeO5 は 2D 層状 Bi2O2Se フィン上にエピタキシャルカプセル化して、絶縁基板上に 2D フィンと酸化物のヘテロ構造を形成します。

a、垂直 2D Bi2O2Se フィンアレイの成長に使用した自家製 CVD システムの写真。 b. 炉温度を 640 °C に設定した場合の石英管の中心の温度勾配プロファイル。 c〜e、垂直共蒸着法によって合成された垂直2D Bi2O2Seフィンアレイの概略図とSEM画像。 f、g、ガス輸送法によって合成された垂直2D Bi2O2Seフィンアレイの概略図とSEM画像。 h、i、酸化法によって合成された垂直 2D Bi2O2Se フィンアレイの概略図と SEM 画像。

a、垂直 2D Bi2O2Se フィンの異方性成長の概略図。 b、c、Bi2O2Se フィンと LaAlO3 (100) 基板の間の界面原子配置の断面図結晶モデリング。 d、Bi2O2SeフィンとLaAlO3(100)基板との間の面内格子整合。 e – h、10秒、1分、5分の異なる成長時間で合成された垂直2D Bi2O2Seフィンの概略図（e）、AFM（f）および傾斜SEM（g、h）画像。 SEM イメージング中の帯電効果を排除するために、サンプルと絶縁基板は透明で導電性のカーボンナノチューブフィルムでコーティングされていることに注意してください 57。 i、j、それぞれ 0 および 40 ppm O2 で取得された、異なるアスペクト比のフィンの傾斜 SEM 画像。成長時間は約10秒です。 k、酸素濃度の関数としてのフィンのアスペクト比の統計。 l、酸素濃度の関数としてのフィンの高さとフィンの厚さの統計。 m,n、マイカ基板上に転写された、アスペクト比約 10 の厚さ 10 nm の 2D フィンの AFM 画像と対応するプロファイル。高いアスペクト比 (フィンの高さ/厚さ) は、層状 2D フィンの異方性成長によって引き起こされます。これは、成長中の酸素濃度を調整することによってさらに変更できます。酸素濃度が 0 ppm から約 40 ppm に変化すると、2D フィンのアスペクト比は約 50 から約 8 に減少しました。上記の現象の考えられる理由は、おそらく核形成プロセス中の基板表面の酸素吸収に関連しています。 2D フィンの。酸素濃度が比較的高い場合、基板表面での酸素の吸収速度は比較的高いため、吸収された前駆体はより高い確率で基板上に蓄積して核形成され、その後比較的厚い 2D Bi2O2Se フィンに結晶化してアスペクトが小さくなります。比率。また、成長時間をさらに短縮すると、厚さ 10 nm の 2D フィンのアスペクト比は約 10 となり、最先端の Si フィン (これも約 10) と同等になります 10。

a、b、LaAlO3 (100) 表面上の 2D 層状 Bi2O2Se アイランドの最適化された構造。界面相互作用の違いも示されています。計算により、不飽和 ${[{{\rm{Bi}}}_{2}{{\rm{O}}}_{2}]}_{{n}}^{2) の直接エッジ結合が示されました。 2D Bi2O2Se フィンの垂直核生成プロセスで、{n}+}$ 層を基板に積層します。 c、LaAlO3 (100) および MgO (110) 表面上の異なる核生成タイプを持つ Bi2O2Se アイランドの結合エネルギーの DFT 計算。結果は、LaAlO3 (100) および MgO (110) 表面上では、垂直に配向した 2D Bi2O2Se が、${[{{\rm {Bi}}}_{2}{{\rm{O}}}_{2}]}_{{n}}^{2{n}+}$ 層の端。我々は、垂直 2D Bi2O2Se の核生成はエッジボンディングに誘導されるメカニズムによって支配されていると結論付けています。

化学気相合成を使用して、2D 層状 Bi2O2Se フィンが最初にバックボーンとしてエピタキシャルに調製され、次に部分的かつインターカレート的に酸化されて、LaAlO3 (100) (a,b)、MgO (110) (c) 上の 2D 層状 Bi2O2Se/Bi2SeO5 フィン酸化物ヘテロ構造アレイになります。、d)、CaF2 (110) (e、f)、LaAlO3 (110) (g、h)、SrTiO3 (110) (i、j)、および KTaO3 (110) (k、l) 基板。

a、ヘテロ構造とLaAlO3 (100)基板の間の界面構造の断面高解像度STEM顕微鏡写真。 b、c、a の実験 (b) およびシミュレーション (c) FFT パターン。Bi2O2Se、Bi2SeO5、および LaAlO3 のエピタキシャル関係を示します。 d、Bi2O2SeフィンとLaAlO3(100)基板の間の界面構造の断面高解像度STEM顕微鏡写真。 e、パネル d のフィルタリングされたバージョンから推定されたひずみマッピング (ɛxx)。 f、原子モデルを使用した Bi2O2Se/LaAlO3 界面の高角環状暗視野走査型透過電子顕微鏡 (HAADF-STEM) 画像。

a ～ n、チャネル長が 400 nm ～ 3,280 nm の場合の伝達曲線と出力曲線。 o、2D Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2 FinFET からの総抵抗 (Rtot) 対チャネル長 (Lch) の伝達長モデルプロット。線はデータへの線形適合を表し、切片は式 Rtot = Rch + 2RC によって接触抵抗 (RC) を抽出するために使用されます。ここで、Rch はチャネル抵抗です。

a、Bi2SeO5誘電体のみで製造された2D FinFETの概略図。 b、チャネル長 (Lch) 3 μm の製造直後の FinFET の傾斜視野 SEM 画像。 c、d、b の FinFET の転送 (c) 曲線と出力 (d) 曲線。

a、b、2D Bi2O2Se/Bi2SeO5 フィン酸化物ヘテロ構造 (a) および 2D Bi2O2Se フィン (b) 上に製造された 2D FinFET の概略図。 c、d、チャネル長1.5μmで製造された2D Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2 FinFET（c）および2D Bi2O2Se/HfO2 FinFET（d）から得られた伝達曲線。 e、2D Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2 および Bi2O2Se/HfO2 FinFET のゲート電圧の関数としてのトランスコンダクタンス (gm)。 f、2D Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2 および Bi2O2Se/HfO2 FinFET のゲート電圧の関数としての電界効果移動度 (μ)。

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Tan, C.、Yu, M.、Tang, J. 他エピタキシャル High-k ゲート酸化物と統合された 2D フィン電界効果トランジスタ。 Nature 616、66–72 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41586-023-05797-z

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受信日: 2022 年 2 月 1 日

受理日: 2023 年 2 月 6 日

公開日: 2023 年 3 月 22 日

発行日: 2023 年 4 月 6 日

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科学中国化学 (2023)

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