氟化鈣—用于二維電子器件的超薄高k電介質(zhì)材料

機(jī)械剝離的二維（2D）六方氮化硼（h-BN）是目前納米電子器件中首選的介電材料，可與石墨烯和二維過渡金屬硫化物等二維材料形成平整的范德華界面。然而，由于六方氮化硼具有較低的介電常數(shù)（≈3.9），在以六方氮化硼為電介質(zhì)的超大規(guī)模器件中會(huì)出現(xiàn)高漏電流和過早的介電擊穿現(xiàn)象。另外，可擴(kuò)展方法（例如化學(xué)氣相沉積）合成六方氮化硼的過程中需要非常高的溫度（> 900°C），并且制得的六方氮化硼包含大量的原子級(jí)尺寸的非晶區(qū)，從而降低了其均質(zhì)性和介電強(qiáng)度。

7月17日，蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)學(xué)院Mario Lanza教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合俄羅斯科學(xué)院艾菲物理技術(shù)研究所Nikolai S. Sokolov團(tuán)隊(duì)、維也納工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)研究所Tibor Grasser團(tuán)隊(duì), 德根多夫理工學(xué)院機(jī)械工程與機(jī)電一體化系Werner Frammelsberger教授，在Advanced Materials上發(fā)表題為 “Dielectric Properties of Ultrathin CaF2 Ionic Crystals” 的研究論文，報(bào)道了分子束外延法制備的超薄氟化鈣薄膜具有優(yōu)異的介電性能。 通過導(dǎo)電原子力顯微鏡對分子束外延法生長的超薄（約2.5納米）氟化鈣薄膜進(jìn)行電學(xué)測試。通過在該超薄材料三千多個(gè)位置進(jìn)行電流-電壓曲線測試和電流圖測試，發(fā)現(xiàn)氟化鈣顯示出比工業(yè)生產(chǎn)的二氧化硅，二氧化鈦和六方氮化硼更好的介電性能（即高均勻性，低漏電流和高介電強(qiáng)度）。其主要原因是氟化鈣具有連續(xù)的立方晶體結(jié)構(gòu)，并且其在大區(qū)域內(nèi)沒有形成電弱點(diǎn)的缺陷。而同時(shí)，氟化鈣（111晶面）可以和2D材料間形成準(zhǔn)范德華結(jié)構(gòu)，可用于解決場效應(yīng)管中二維管道和三維柵介質(zhì)之間的接觸問題。 ?

圖文解析

在硅（111）晶面上使用分子束外延法生長高質(zhì)量的2.5納米厚的氟化鈣薄膜。通過透射電子顯微鏡表征發(fā)現(xiàn)，氟化鈣薄膜的立方晶體結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出不同的圖案，包括層間距約為0.32 納米的二維分層圖案，六邊形圖案，立方圖案和點(diǎn)狀圖案。這些圖案相互間可以平滑地過渡，且沒有可見的缺陷。

圖1. 氟化鈣薄膜的高分辨率橫截面TEM圖像。a–c）具有亞納米級(jí)分辨率的大面積TEM圖像顯示了氟化鈣薄膜中無定形缺陷區(qū)域的連續(xù)立方晶體結(jié)構(gòu)。d–g）顯示出不同晶體圖案的放大的TEM圖像，這與氟化鈣子晶格相對于TEM電子束的不同角度有關(guān)。比例尺：（a）–（c）中為3 納米，（d）–（g）中為2 納米。 通過導(dǎo)電原子力顯微鏡，在高真空條件下表征氟化鈣薄膜的電學(xué)特性，并與工業(yè)化生產(chǎn)的二氧化硅、原子層沉積的二氧化鈦、化學(xué)氣相沉積生長的六方氮化硼進(jìn)行對比。通過分析在樣品不同位置采集的電流與電壓曲線（I-V），發(fā)現(xiàn)氟化鈣薄膜表現(xiàn)出與其他電介質(zhì)完全不同的I-V曲線特性，從圖中可以看出氟化鈣具有極低的漏電流。同時(shí)，和其它三種電介質(zhì)相比，氟化鈣薄膜在不同位置的電流電壓曲線十分集中，顯出最高的電學(xué)均一性。

圖2. 通過導(dǎo)電原子力顯微鏡表征氟化鈣、二氧化硅、二氧化鈦和六方氮化硼的電均質(zhì)性。通過施加0至10 伏的斜坡電壓應(yīng)力，在2.5 納米的氟化鈣、4.7納米的二氧化硅、2納米二氧化鈦/1. 5nm氧化硅以及約6納米的六方氮化硼四個(gè)樣品的表面上收集電流電壓曲線。每個(gè)圖中為在300多個(gè)不同位置收集的電流電壓曲線。同時(shí)顯示了開啟電壓的平均值（μ）和標(biāo)準(zhǔn)偏差（σ）。 為進(jìn)一步證實(shí)這一觀點(diǎn)，對所有樣品的不同位置施加恒定電壓并采集電流圖。電流圖中的紅色斑點(diǎn)代表該位置的電流比其他位置的電流更高。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示氟化鈣樣品中的導(dǎo)電斑點(diǎn)的平均半徑僅為3.7納米，遠(yuǎn)小于二氧化硅樣品（8.87納米），二氧化鈦樣品（7.24納米）和六方氮化硼樣品（14.48納米）中的導(dǎo)電位點(diǎn)。

圖3. 在四個(gè)樣品上收集的電流圖以及對每個(gè)電流圖中觀察到的導(dǎo)電位點(diǎn)大小的統(tǒng)計(jì)分析。比例尺：氟化鈣中為30 納米，二氧化硅、二氧化鈦和六方氮化硼中100納米。 為進(jìn)一步分析氟化鈣樣品中超過納安級(jí)別的電流，將導(dǎo)電探針連接到對數(shù)前置放大器重復(fù)該實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，在電介質(zhì)擊穿之前，超薄氟化鈣樣品中的泄漏電流要比二氧化硅樣品中的泄漏電流小得多。該特性可以用來改善電子設(shè)備的可靠性和隨時(shí)間變化的波動(dòng)性。此外，氟化鈣的介電強(qiáng)度約為27.8±1.7 MV cm-1，可以與工業(yè)生產(chǎn)的二氧化硅的介電強(qiáng)度（20.3±0.9 MV cm-1）媲美。

圖4. 氟化鈣和二氧化硅中的泄漏電流和介電強(qiáng)度分析。使用對數(shù)前置放大器通過施加0至10 V的斜坡電壓應(yīng)力，在2.5納米氟化鈣和4.7納米二氧化硅樣品的表面上收集的電流電壓曲線。

總結(jié)與展望

本文研究結(jié)果表明，超薄氟化鈣薄膜在受到電應(yīng)力作用下展現(xiàn)出高均勻性，高介電強(qiáng)度（約27.8 MVcm-1）和低泄漏電流。本文對解決傳統(tǒng)絕緣電介質(zhì)材料和二維材料界面存在缺陷的問題做出了積極探索。而超薄氟化鈣薄膜的優(yōu)秀絕緣性和與二維材料的兼容性值得其在二維電子器件中得到關(guān)注和深入研究。