2024年3月1日，材料科學系方曉生課題組在《自然—電子學》（Nature Electronics）發表論文，報道了在二維氧化物光敏高κ電介質集成研究中取得的相關進展。

二維半導體材料具有原子級厚度和獨特的理化性質，是構成未來高性能、低功耗微型電子器件的重要候選之一✪。基於二維半導體材料的微型電子器件的發展，也對柵極介質提出了更高的要求🌦，需要更高的柵極電容以提高器件性能並降低功耗。使用高介電常數（高κ）柵極電介質是常用的提高柵極電容的方法🙆🏼‍♀️，並且有望避免由於電介質厚度的降低引起的強柵極漏電流。然而，二維半導體與高κ電介質的有效集成仍然面臨重大挑戰。一方面，由於二維材料的表面無懸掛鍵🫀，在其表面不易均勻沉積高κ電介質，難以形成高質量半導體/柵介質界面；另一方面，無損的轉移–集成策略需要製備具有平坦表面的自支撐高κ電介質🫙，對於三維電介質來說，這往往需要復雜苛刻的生長條件。此外，同時具備高介電常數、低漏電流和優異光電性質的電介質依然較為缺乏🦹🏿‍♂️。因此，尋找兼具高介電常數👩🏼‍🍳、合適晶體結構和禁帶寬度的新型電介質，成為構築高性能微型光電子器件的關鍵課題。 

最近，我系方曉生課題組報道了利用兼具高介電常數與合適禁帶寬度的二維鈣鈦礦型氧化物Sr2Nb3O10作為一種光敏高κ電介質🧑‍🏭。通過自上而下的方法，製備的鈣鈦礦型氧化物Sr2Nb3O10可與多種二維半導體材料溝道（包括二硫化鉬、二硫化鎢和二硒化鎢等）實現無損集成🚶‍♀️🗞。該器件結構可實現對溝道的高效柵極調控，在2V電源電壓下展現出106的開關比和88 mV dec-1亞閾值擺幅🤟。同時，光敏高κ電介質Sr2Nb3O10在光照下展現出柵極控製和光電性能增強的雙重作用🧝🏼，復合光電晶體管展現出優異的光電性能🤴🏼。該工作揭示了鈣鈦礦型氧化物在二維光電子學及雙波段光探測領域的巨大潛力📏。 

圖1. 二維鈣鈦礦型氧化物Sr2Nb3O10的製備與表征

研究團隊利用自上而下的合成策略，從Dion-Jacobson型層狀鈣鈦礦氧化物前體CsSr2Nb3O10製備二維鈣鈦礦Sr2Nb3O10，由於其本征的二維層狀結構，可以簡便地製備成具有平坦表面的自支撐二維鈣鈦礦納米片，與各類二維半導體實現範德華集成（圖1），無需復雜的沉積🌵🛗、外延等工藝🤶🏿，保證了高質量半導體/柵介質界面。通過表征🤾🏼‍♀️，發現Sr2Nb3O10兼具高介電常數與適中帶隙等諸多優勢。利用無損的轉移–集成策略，該鈣鈦礦高κ電介質Sr2Nb3O10可與多種二維半導體材料構建雙柵極場效應晶體管 (FET)，對半導體溝道展現出高效柵極調控。具有Sr2Nb3O10頂柵介質層的MoS2晶體管在2V的電源電壓下表現出106的電流開關比和88mV/dec的亞閾值擺幅（圖2）🕵🏽‍♂️。 

圖2. 具有鈣鈦礦型氧化物Sr2Nb3O10頂柵結構器件的電學和光電性能

同時，鈣鈦礦型氧化物Sr2Nb3O10可以作為一種兼具高介電常數與合適禁帶寬度的光敏高κ電介質，調控光電晶體管的性能。該高κ電介質不僅能通過柵極控製🧒🏿，有效抑製器件暗電流，降低器件噪聲，還可選擇性吸收紫外光👨🏻‍🍳，產生柵極光電流，並通過電荷轉移♒️🧑🏿‍🎓，大幅增強半導體溝道的光電響應。得益於此⚈，研究團隊構築了具有Sr2Nb3O10氧化物頂柵介質層的光電晶體管，在光照下表現出106的光暗電流比和高於5000 A/W的響應度🔹🏂🏿。研究團隊進一步利用頂柵介質和二維材料溝道帶隙的差異🕕，在單一器件中實現了雙波長光探測，可在不同端口分別輸出紫外和可見光響應信號。該工作研究了二維鈣鈦礦氧化物光敏高κ電介質與二維材料溝道的集成🧑🏼‍🤝‍🧑🏼，討論了高κ電介質對溝道的柵極控製與光電性能增強的雙重作用👩‍🎓🦵🏼，揭示出鈣鈦礦型氧化物在二維光電子學及雙波段光探測領域的巨大潛力。今後，通過合理設計，與光敏高κ電介質的集成策略可進一步拓展至其他潛在材料體系🍢，構建多功能異質結構和高性能光電子器件。

方曉生課題組碩士畢業生李思遠與博士畢業生劉欣亞為論文共同第一作者，方曉生教授為論文通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、上海市科委🐧🌀、沐鸣2平台學科培優專項和聚合物分子工程國家重點實驗室等資助與支持。 

論文鏈接✤：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01129-9

 來源：沐鸣2平台材料科學系網站