客户成果丨华南师范大学《Nano Letters》单晶 γ 相氧化铋的台阶边缘导向单向取向生长：适用于二维晶体管的高介电常数介质材料

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“Step-Edge-Guided Growth of Single-Crystalline y-Bi2O3 withUnidirectional Orientation as a High-κ Dielectric for 2D Transistors”为题发表在《Nano Letters》上。

二维电介质为下一代纳米电子学中扩展限制提供了有前景的解决方案，但高性能二维电介质的发展受到低晶体度、介电常数不足以及缺乏可扩展合成等挑战所阻碍。本文介绍了一种新型高κ栅介质γ-Bi2O3，通过常压化学气相沉积法，利用C/M蓝宝石衬底的原子级台阶控制成核取向，实现了1英寸γ-Bi2O3单晶薄膜生长。所获得的γ-Bi2O3的介电常数高达39.38，集成到顶栅γ-Bi2O3/MoS2 场效应晶体管，器件实现了超过 106 的高导通/关断比，近乎理想的亚阈值摆幅 80 mV dec–1，以及 19 mV 的小滞后窗口。

研究团队通过化学气相沉积方法，在具有0.2 ± 0.05°切角的C/M蓝宝石衬底上成功实现了单晶γ-Bi2O3的台阶边缘引导单向取向生长。通过调控生长温度（600–690°C）和时间（20–45分钟），实现了从孤立晶畴到连续薄膜的转变。AFM表征显示，晶畴取向与台阶结构高度一致；XRD φ扫描证实其具有三倍对称性，XPS分析确认了Bi3+化学态与Bi-O键的形成。该生长方法具备无溶剂、可扩展、结晶质量高等优势，为高κ介质的规模化制备提供了可行路径。

图1. 单向取向单晶γ-Bi2O3的外延生长与表征。(a和b) γ-Bi2O3在C/M蓝宝石衬底上外延生长的示意图。(c−e) 在C/M蓝宝石上不同温度下单向取向γ-Bi2O3的典型光学显微镜（OM）图像。(f−h) 670 °C下生长时间从20到45分钟不等的γ-Bi2O3的典型OM图像。(i) C/M蓝宝石衬底在1400 °C退火处理4−6小时后的台阶和平台典型原子力显微镜（AFM）图像。(j) 单向取向γ-Bi2O3的典型AFM图像，白线表示台阶-平台结构的取向。(k) γ-Bi2O3在C/M蓝宝石上单向取向生长的示意图。(l) 获取的γ-Bi2O3{002}晶面族的X射线衍射（XRD）φ扫描图。(m) γ-Bi2O3的典型XRD图谱。(n和o) γ-Bi2O3的Bi 4f和O 1s轨道的X射线光电子能谱（XPS）图谱。

将单晶γ-Bi2O3作为顶栅介质集成到MoS2场效应晶体管中，系统评估了其器件性能。该顶栅FET在±1 V的低工作电压下实现了超过106的开关比，亚阈值摆幅低至80 mV dec–1，接近玻尔兹曼极限，表明其优异的栅控能力和极低的界面陷阱密度。器件的滞回窗口仅为19 mV，进一步证实了γ-Bi2O3与MoS2之间形成的高质量界面。在300–450 K的温度范围内，器件仍保持稳定的转移与输出特性，展现出良好的热稳定性；同时，在空气中存放4个月后，其开态电流无明显衰减，体现出优异的环境稳定性。这些结果表明，γ-Bi2O3作为高κ介质在低功耗、高稳定性二维晶体管中具有重要的应用潜力。

图2. 采用高κ γ-Bi2O3介质的顶栅MoS₂场效应晶体管。（a）γ-Bi2O3/MoS2 FET的结构示意图。（b）在Vd=1 V、300 K条件下，γ-Bi2O3/MoS2  FET的典型转移特性曲线。图b插图为γ-Bi2O3/MoS2 FET转移特性曲线的局部放大图，展示了提取的滞回窗口。该γ-Bi2O3/MoS2 FET的沟道长度/宽度（L/W）为3.3/12.8 µm，采用厚度为145 nm的γ-Bi2O3顶栅介质制备。（c）在300 K条件下，γ-Bi2O3/MoS2  FET的典型输出特性曲线。（d）γ-Bi2O3/MoS2 FET与其他已报道工作的滞回窗口对比。（e）二维FET的亚阈值摆幅与沟道长度的基准对比图，表明我们的亚阈值摆幅值在长沟道器件中具有竞争力

该工作中通过使用TuoTuo Technology的TTT-07-UV Litho-ACA无掩模版紫外光刻机进行了底电极图案化制备，用于γ-Bi2O3的MIM电容器与顶栅MoS2场效应晶体管的器件加工。

作者信息介绍： 华南师范大学光电科学与工程学院硕士生胡邦林为第一作者，松山湖材料实验室的梁齐杰研究员和唐磊研究员为论文的共同通讯作者。该工作还得到了和香港科技大学物理系徐润章的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c05693