剖析二维电子器件的高k介电薄膜——氟化钙

剖析二维电子器件的高k介电薄膜——氟化钙

为了突破摩尔定律的瓶颈，研究者们将二维材料作为沟道层引入到场效应晶体管中。二维材料半导体材料如硫化钼具有原子级别的厚度、表面呈惰性无悬挂键且高载流子浓度和迁移率等特性。由此理论上，该类材料可以保证在不降低器件性能的条件下，缩小场效应晶体管的尺寸。然而，在微纳电子器件中引入二维材料是一项具有挑战性的任务，因为不仅要证明引入二维材料后的器件表现出更高的性能优势，而且还需要克服制备二维材料的挑战和将二维材料集成到硅基底器件种的负面效应，比如闪烁噪声、滞后、由偏置-温度不稳定性引起的长期漂移、低迁移率和亚阈值波动等。

同时，氟化钙薄膜(111)晶面无悬挂键且呈化学惰性；通过反射高能电子衍射可原位测得分子束外延法生长的氟化钙(111)表面可与二维材料之间良好的界面。然而，分子束外延系统昂贵、操作相对复杂，而且生长氟化钙薄膜的速率低（1.3 nm/min）。工业界普遍使用的合成方法（化学气相沉积、原子层沉积、热蒸发）生长的氟化钙薄膜质量在结晶度和悬挂键密度方面劣于分子束外延法，但这些方法较低的成本可能使得工业界进一步合成和优化氟化钙介电薄膜。此外，不同的电子器件需要不同的缺陷浓度，使用这些方法合成的氟化钙薄膜可能可用于其他类型的微纳电子器件。

图1. （a）在高温下分子束外延法生长的氟化钙薄膜形貌图；（b）在低温（250℃）下分子束外延法生长的氟化钙薄膜形貌图；（c）在300K下分子束外延法在铜基上生长的氟化钙薄膜；（d）化学气相沉积法生长的氟化钙薄膜；（e）高温下热蒸发法生长的氟化钙薄膜。

（a）使用导电原子力显微镜测量氟化钙薄膜的纳米级电学性质的示意图。（b-d）四种介电薄膜不同位置测得的伏安特性曲线。

图3. （a）二硫化钼/氟化钙（111）/n型硅场效应管示意图。(b-c) a图种场效应管的伏安特性曲线。(d)铝/氟化钙/金刚石场效应管。（e-f）d图种场效应管的伏安特性曲线。

适合兼容高质量氟化钙薄膜的生长基底有限：目前高质量氟化钙薄膜的生长仅在硅（111）基底上实现，未来研究可以向不同基底上生长高质量氟化钙薄膜的目标迈进。

氟化钙薄膜与二维材料的界面：理论上氟化钙薄膜（111）晶面与二维材料间可形成类范德华结构，但现存的研究尚未涉及氟化钙薄膜与相邻二维材料之间的界面质量的表征，未来可以通过拉曼光谱、截面透射电子显微镜来表征氟化钙薄膜与二维材料间的界面。

氟化钙薄膜与二维材料的结合：目前所报道的方法多为将二维材料转移到氟化钙薄膜上，如何在超薄氟化钙薄膜上直接生长二维材料将是一个非常有前景的研究方向。

基于氟化钙薄膜的新型微纳电子器件，如忆阻器，仍有很大开发空间。

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