campo de aletas 2D

Nature volumen 616, páginas 66–72 (2023)Citar este artículo

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La integración precisa de semiconductores bidimensionales (2D) y óxidos de puerta de alta constante dieléctrica (k) en matrices de arquitectura vertical tridimensionales (3D) es prometedora para el desarrollo de transistores ultraescalados1,2,3,4,5, pero ha demostrado desafiante. Aquí informamos la síntesis epitaxial de matrices alineadas verticalmente de heteroestructuras de óxido de aleta 2D, una nueva clase de arquitectura 3D en la que la aleta semiconductora 2D de alta movilidad Bi2O2Se y el óxido de puerta de alto k de un solo cristal Bi2SeO5 están integrados epitaxialmente. Estas heteroestructuras epitaxiales de óxido de aleta 2D tienen interfaces atómicamente planas y un grosor de aleta ultrafino de hasta una celda unitaria (1,2 nm), logrando un crecimiento de alta densidad, específico del sitio y a escala de obleas de matrices monoorientadas. Los transistores de efecto de campo de aleta 2D (FinFET) fabricados basados en heteroestructuras epitaxiales de Bi2O2Se/Bi2SeO5 exhiben una alta movilidad de electrones (μ) de hasta 270 cm2 V-1 s-1, corriente de estado desactivado ultra baja (IOFF) de aproximadamente 1 pA μm−1, altas relaciones de corriente de encendido/apagado (ION/IOFF) de hasta 108 y alta corriente de estado encendido (ION) de hasta 830 μA μm−1 a una longitud de canal de 400 nm, que cumplen con las especificaciones de baja potencia proyectadas por la hoja de ruta internacional para dispositivos y sistemas (IRDS)6. Las heteroestructuras epitaxiales de óxido de aleta 2D abren nuevas vías para la extensión adicional de la ley de Moore.

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Se ha publicado una corrección de este artículo: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06093-6

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Agradecemos a C. Qiu y J. Jiang por ayudar con la fabricación del dispositivo y brindar una discusión útil. Agradecemos al Laboratorio de Nanofabricación y Materiales Moleculares (MMNL) de la Facultad de Química e Ingeniería Molecular de la Universidad de Pekín por el uso de instrumentos. Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (21733001, 21920102004, 52021006, 22205011, 92164205 y 22105009), el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave (2021YFA1202901), el Laboratorio Nacional de Ciencias Moleculares de Beijing (BNLMS-CXTD-202001) y la Fundación Tencent (El PREMIO XPLORER). CT reconoce el apoyo de China Postdoctoral Science Foundation y Boya Postdoctoral Fellowship. FD y YY reconocen al Instituto de Ciencias Básicas (IBS-R019-D1) de la República de Corea.

Estos autores contribuyeron por igual: Congwei Tan, Mengshi Yu, Junchuan Tang, Xiaoyin Gao

Centro de Nanoquímica, Centro de Ciencia e Ingeniería de Beijing para Nanocarbonos, Laboratorio Nacional de Ciencias Moleculares de Beijing, Facultad de Química e Ingeniería Molecular, Universidad de Beijing, Beijing, China

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

Centro de Materiales Multidimensionales de Carbono, Instituto de Ciencias Básicas, Ulsan, Corea del Sur

Yuling Yin y Feng Ding

Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan, Ulsan, Corea del Sur

Yuling Yin y Feng Ding

State Key Laboratory of Low-Dimensional Quantum Physics, Department of Physics, Tsinghua University, Beijing, China

Xinyu Gao y Kaili Jiang

Centro de Investigación de Nanotecnología Tsinghua-Foxconn, Universidad de Tsinghua, Beijing, China

Xinyu Gao y Kaili Jiang

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HP y CT concibieron el proyecto y diseñaron los experimentos. CT y MY llevaron a cabo la síntesis de las aletas 2D y las heteroestructuras de óxido de aleta 2D. CT, YZ y MY prepararon las aletas 2D ultrafinas. Xiaoyin Gao y CT realizaron las caracterizaciones de STEM y espectroscopia de dispersión de energía y analizaron los resultados. Xinyu Gao, KJ y CT realizaron las caracterizaciones SEM de alta resolución. CT, JT y JW participaron en la fabricación de dispositivos y caracterización eléctrica. FD y YY realizaron los cálculos teóricos. CZ, XZ, LZ y HL proporcionaron el análisis de datos y sugerencias. CT y HP coescribieron el manuscrito. HP supervisó esta investigación. Todos los autores contribuyeron a las discusiones.

Correspondencia con Hailin Peng.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature agradece a Haozhe Wang y a los otros revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

a–c, representación 3D (a), vista superior (b) y vista lateral (c) de la estructura cristalina Bi2O2Se. d–f, representación 3D (d), vista superior (e) y vista lateral (f) de la estructura cristalina Bi2SeO5. Tenga en cuenta que los parámetros de la red y las posiciones de los átomos de Bi y Se en la estructura cristalina de Bi2SeO5 en capas se determinan experimentalmente. Sin embargo, las posiciones de O en las capas [SeO3]2− se deducen de la combinación de parámetros de red, relaciones espaciales y coordinación de Se–O, porque el átomo de luz O debe confirmarse con precisión mediante mediciones experimentales más avanzadas22. g,h, representación 3D (g) y (100) red de facetas (h) de la estructura cristalina de LaAlO3. i, j, representación 3D (i) y (110) red de facetas (j) de la estructura cristalina de MgO.

Las aletas de Bi2O2Se en capas 2D de alta movilidad primero se preparan epitaxialmente como columna vertebral mediante síntesis de vapor químico, porque el ${[{{\rm{Bi}}}_{2}{{\rm{O}}}_{ 2}]}_{{n}}^{2{n}+}$ capas de cristal de Bi2O2Se tienen muchos enlaces colgantes en dos bordes laterales, que pueden incorporarse fácilmente con átomos activos provenientes directamente de las superficies del sustrato y formar la fuerte interfaces de unión de bordes. La epitaxia de las aletas de Bi2O2Se 2D se desencadenó a partir de los núcleos orientados verticalmente y el crecimiento anisotrópico. Además, los cristales de Bi2O2Se se oxidaron facialmente en un dieléctrico de Bi2SeO5 de alto k por medio de una química de intercalación a baja temperatura. Bi2SeO5 se encapsula epitaxialmente sobre aletas de Bi2O2Se en capas 2D para formar las heteroestructuras de óxido de aleta 2D en sustratos aislados.

a, Fotografía del sistema CVD casero utilizado para el crecimiento vertical de arreglos de aletas de Bi2O2Se en 2D. b, Perfil de gradiente de temperatura en el centro de un tubo de cuarzo cuando la temperatura del horno se establece en 640 °C. c–e, Imágenes esquemáticas y SEM de las matrices de aletas verticales 2D Bi2O2Se sintetizadas por el método de coevaporación vertical. f, g, Imagen esquemática y SEM de las matrices de aletas verticales 2D Bi2O2Se sintetizadas por el método de transporte de gas. h, i, Imagen esquemática y SEM de las matrices de aletas verticales 2D Bi2O2Se sintetizadas por el método de oxidación.

a, Esquema para el crecimiento anisotrópico de aletas verticales 2D Bi2O2Se. b, c, Modelado cristalográfico de vista transversal de la disposición atómica interfacial entre la aleta Bi2O2Se y el sustrato LaAlO3 (100). d, Coincidencia de celosía en el plano entre la aleta Bi2O2Se y el sustrato LaAlO3 (100). e–h, Imágenes esquemáticas (e), AFM (f) e imágenes SEM inclinadas (g,h) de una aleta vertical 2D de Bi2O2Se sintetizada con diferentes tiempos de crecimiento de 10 s, 1 min y 5 min. Tenga en cuenta que la muestra y el sustrato aislante se recubrieron con una película de nanotubos de carbono conductora y transparente para eliminar el efecto de carga durante la obtención de imágenes SEM57. i, j, imágenes SEM inclinadas de aletas con diferente relación de aspecto obtenidas con 0 y 40 ppm de O2, respectivamente. El tiempo de crecimiento es de aproximadamente 10 s. k, Estadísticas de la relación de aspecto de las aletas en función de la concentración de oxígeno. l, Estadísticas de la altura y el grosor de las aletas en función de la concentración de oxígeno. m,n, La imagen AFM y el perfil correspondiente de una aleta 2D de 10 nm de espesor con una relación de aspecto de aproximadamente 10 transferida a sustratos de mica. La alta relación de aspecto (altura/grosor de la aleta) es inducida por el crecimiento anisotrópico de las aletas 2D en capas, que se puede modificar ajustando la concentración de oxígeno durante el crecimiento. A medida que la concentración de oxígeno cambió de 0 ppm a aproximadamente 40 ppm, la relación de aspecto de las aletas 2D disminuyó de aproximadamente 50 a aproximadamente 8. La posible razón del fenómeno anterior probablemente esté relacionada con la absorción de oxígeno en la superficie del sustrato durante el proceso de nucleación. de aletas 2D. Cuando la concentración de oxígeno es relativamente alta, la tasa de absorción del oxígeno es relativamente alta en la superficie del sustrato, por lo que los precursores absorbidos se acumularían y nuclearían en el sustrato con mayor probabilidad, luego cristalizarían en aletas de Bi2O2Se 2D relativamente gruesas, lo que daría como resultado un aspecto más pequeño. relación. Además, después de acortar aún más el tiempo de crecimiento, la relación de aspecto de la aleta 2D de 10 nm de espesor es de aproximadamente 10, que es comparable con la aleta Si de última generación (también de aproximadamente 10)10.

a, b, Estructuras optimizadas de islas de Bi2O2Se en capas 2D en la superficie de LaAlO3 (100), en las que también se muestra la diferencia de las interacciones interfaciales. Los cálculos mostraron una unión de borde directa de ${[{{\rm{Bi}}}_{2}{{\rm{O}}}_{2}]}_{{n}}^{2 {n}+}$ capas a sustrato en el proceso de nucleación vertical de aletas 2D Bi2O2Se. c, Cálculos DFT de las energías de enlace de una isla de Bi2O2Se con diferentes tipos de nucleación en las superficies de LaAlO3 (100) y MgO (110). Los resultados mostraron claramente que, en las superficies de LaAlO3 (100) y MgO (110), el Bi2O2Se 2D alineado verticalmente es mucho más estable que el alineado horizontalmente al unirse directamente a la superficie epitaxial a través de ${[{{\rm {Bi}}}_{2}{{\rm{O}}}_{2}]}_{{n}}^{2{n}+}$ borde de la capa. Concluimos que la nucleación de Bi2O2Se 2D vertical se rige por un mecanismo guiado por unión de bordes.

Utilizando la síntesis de vapor químico, las aletas de Bi2O2Se en capas 2D primero se preparan epitaxialmente como columnas vertebrales y luego se oxidan parcial e intercalativamente en matrices de heteroestructura de óxido de aleta Bi2O2Se/Bi2SeO5 en capas 2D en LaAlO3 (100) (a,b), MgO (110) (c ,d), CaF2 (110) (e,f), LaAlO3 (110) (g,h), SrTiO3 (110) (i,j) y KTaO3 (110) (k,l) sustratos.

a, Micrografía STEM transversal de alta resolución de las estructuras de interfaz entre la heteroestructura y el sustrato LaAlO3 (100). b,c, Patrón de FFT experimental (b) y simulado (c) de a, que muestra la relación epitaxial de Bi2O2Se, Bi2SeO5 y LaAlO3. d, Micrografía STEM transversal de alta resolución de las estructuras de interfaz entre la aleta Bi2O2Se y el sustrato LaAlO3 (100). e, Mapeo de deformación (ɛxx) estimado a partir de una versión filtrada del panel d. f, Imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de ángulo alto (HAADF-STEM) de la interfaz Bi2O2Se/LaAlO3 con modelo atómico.

a–n, curvas de transferencia y salida para longitudes de canal que van desde 400 nm hasta 3280 nm. o, Gráfico del modelo de longitud de transferencia de la resistencia total (Rtot) frente a la longitud del canal (Lch) de los FinFET Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2 2D. Las líneas representan ajustes lineales a los datos y la intersección se usa para extraer la resistencia de contacto (RC) por medio de la ecuación Rtot = Rch + 2RC, en la que Rch es la resistencia del canal.

a, Diagrama esquemático de un FinFET 2D fabricado únicamente con dieléctrico Bi2SeO5. b, imagen SEM de vista inclinada de FinFET fabricado con una longitud de canal (Lch) de 3 μm. c,d, Curvas de transferencia (c) y salida (d) del FinFET en b.

a, b, diagrama esquemático de FinFET 2D fabricados en heteroestructura de óxido de aleta 2D Bi2O2Se/Bi2SeO5 (a) y aleta 2D Bi2O2Se (b). c,d, Curvas de transferencia obtenidas de Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2 FinFET 2D (c) y FinFET 2D Bi2O2Se/HfO2 (d) fabricados con una longitud de canal de 1,5 μm. e, Transconductancia (gm) en función de los voltajes de puerta para Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2 y Bi2O2Se/HfO2 FinFET 2D. f, Movilidad de efecto de campo (μ) en función de los voltajes de puerta para Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2 y Bi2O2Se/HfO2 FinFET 2D.

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Tan, C., Yu, M., Tang, J. et al. Transistores de efecto de campo de aleta 2D integrados con óxido de puerta epitaxial de alto k. Naturaleza 616, 66–72 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05797-z

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Recibido: 01 febrero 2022

Aceptado: 06 febrero 2023

Publicado: 22 de marzo de 2023

Fecha de emisión: 06 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05797-z

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