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客户成果丨华南师范大学《Advanced Functional Materials》适用于二维晶体管的高介电常数氯氧化铋介质低温水辅助生长

华南师范大学光电科学与工程学院在新型二维高κ栅介质研究中取得最新进展，该研究成果以"Water-Assisted Growth of High-κ BiOCl Dielectric at Low-Temperature for 2D Transistors"为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

二维高κ电介质为后摩尔时代集成电路的持续微缩提供了关键解决方案，然而现有材料面临结晶度低、介电常数不足、以及高温生长工艺与后端集成不兼容等挑战。本文介绍了一种水辅助化学气相沉积法，在170 °C的低温条件下成功生长出单晶二维BiOCl纳米片。所制备的BiOCl基MIM器件表现出16.9的高介电常数和11.2 MV/cm的高击穿场强。集成至背栅MoS2场效应晶体管后，器件实现了108的高开关比、61 mV/dec的近理想亚阈值摆幅，以及3个月的优异环境稳定性。该低温生长策略为二维高κ介质与后端集成工艺的兼容性提供了全新路径。

研究团队通水辅助化学气相沉积法，在170 °C的低温条件下，以BiCl3为前驱体、水蒸气为氧源，成功在多种衬底（c面蓝宝石、SiO2/Si、云母等）上生长出大尺寸单晶BiOCl纳米片。通过调控生长参数，所得纳米片平均边长达到31.5 μm，最大可达95 μm。AFM表征显示纳米片厚度在6.9–59.5 nm范围内可调，表面形貌均匀。XPS分析确认了Bi3+化学态与Bi-O、Bi-Cl键的形成，Raman光谱进一步验证了其晶体结构。该生长方法具备低温、无溶剂、可扩展的优势，为二维高κ介质与后端集成工艺的兼容性提供了可行路径。

图1. BiOCl纳米片的生长与结构表征。(a, b) BiOCl原子结构的侧视图和俯视图；(c) BiOCl纳米片的CVD生长过程示意图；(d) BiOCl纳米片的典型光学显微镜图像；(e) 不同厚度BiOCl纳米片的AFM图像；(f) BiOCl纳米片的典型线扫描Raman图谱，插图为OM图像；(g–i) BiOCl的Bi 4f、O 1s和Cl 2p轨道的XPS能谱。

通过MIM电容器件结构，系统评估了不同厚度BiOCl纳米片的介电性能。电容-电压特性曲线显示，随着厚度从11.2 nm增加到49.4 nm，介电常数从6.9提升至16.9。击穿特性测试表明，18.8 nm厚BiOCl纳米片的击穿场强高达11.2 MV/cm，漏电流极低。与现有高κ介质材料对比，BiOCl在介电常数与击穿场强之间实现了优异的平衡，展现出作为高性能栅介质的巨大潜力。

图2. BiOCl纳米片的介电性能。(a) MIM器件结构示意图；(b–h) 不同厚度BiOCl MIM器件在10 kHz、100 kHz和1 MHz频率下的典型C–V特性曲线；(i) BiOCl纳米片厚度依赖的有效介电常数分布；(j) 不同厚度BiOCl纳米片的击穿特性曲线；(k) 典型BiOCl面内器件的I-V特性曲线；(l) 现有介质的击穿场强与有效介电常数对比图。

将BiOCl作为背栅介质集成到MoS2场效应晶体管中，系统评估了其器件性能。该背栅FET在Vd = 2 V的低工作电压下实现了108的开关比，亚阈值摆幅低至61 mV/dec，接近玻尔兹曼极限。提取的场效应迁移率为17.9 cm2/V·s。器件的归一化滞回窗口最小达到1.39 × 10-2 V (MV/cm)-1，展现出优异的界面质量。在空气中存放3个月后，器件的开关比和开态电流无明显衰减，仅阈值电压发生轻微漂移，体现出卓越的环境稳定性。DFT计算与横截面STEM分析共同证实，BiOCl与MoS2之间形成了约7.6 Å的范德华间隙，有效避免了化学键合引入的缺陷与电荷散射。

图3. BiOCl/MoS2背栅场效应晶体管性能。(a) BiOCl/MoS2 FET结构示意图；(b) BiOCl/MoS2 FET的OM与AFM图像；(c) BiOCl/MoS2 FET的典型转移特性曲线；(d) 线性区转移特性与提取的迁移率；(e) 亚阈值摆幅与漏极电流关系图；(f) BiOCl/MoS2 FET的典型输出特性曲线；(g) 空气中存放3个月后的转移特性曲线；(h) 空气中存放3个月后的输出特性曲线；(i) 不同扫描速率下的转移特性曲线。