Champ d'ailettes 2D

Nature volume 616, pages 66–72 (2023)Citer cet article

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Une correction de l'éditeur à cet article a été publiée le 03 mai 2023

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L'intégration précise de semi-conducteurs bidimensionnels (2D) et d'oxydes de grille à haute constante diélectrique (k) dans des matrices à architecture verticale tridimensionnelle (3D) est prometteuse pour le développement de transistors à ultra-échelle1,2,3,4,5, mais s'est avérée difficile. Nous rapportons ici la synthèse épitaxiale de réseaux alignés verticalement d'hétérostructures 2D fin-oxyde, une nouvelle classe d'architecture 3D dans laquelle une ailette semi-conductrice 2D à haute mobilité Bi2O2Se et un oxyde de grille monocristallin à k élevé Bi2SeO5 sont intégrés par épitaxie. Ces hétérostructures épitaxiales 2D fin-oxyde ont des interfaces atomiquement plates et une épaisseur d'ailette ultra-mince jusqu'à une cellule unitaire (1,2 nm), permettant une croissance à l'échelle de la plaquette, spécifique au site et à haute densité de réseaux mono-orientés. Les transistors à effet de champ à ailettes 2D tels que fabriqués (FinFET) basés sur des hétérostructures épitaxiales Bi2O2Se/Bi2SeO5 présentent une mobilité électronique élevée (μ) jusqu'à 270 cm2 V−1 s−1, un courant à l'état bloqué ultrafaible (IOFF) jusqu'à environ 1 pA μm−1, rapports de courant marche/arrêt élevés (ION/IOFF) jusqu'à 108 et courant à l'état passant (ION) élevé jusqu'à 830 μA μm−1 à une longueur de canal de 400 nm, qui répondent aux spécifications de faible puissance projetées par l'International Roadmap for Devices and Systems (IRDS)6. Les hétérostructures épitaxiales 2D fin-oxyde ouvrent de nouvelles voies pour l'extension de la loi de Moore.

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Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Toutes les données de calcul sont présentées dans le manuscrit. Tous les calculs DFT ont été effectués à l'aide de VASP, qui est disponible dans le commerce sur https://www.vasp.at/.

Une correction à cet article a été publiée : https://doi.org/10.1038/s41586-023-06093-6

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Nous remercions C. Qiu et J. Jiang d'avoir aidé à la fabrication de l'appareil et d'avoir fourni une discussion utile. Nous reconnaissons le laboratoire de matériaux moléculaires et de nanofabrication (MMNL) du Collège de chimie et de génie moléculaire de l'Université de Pékin pour l'utilisation d'instruments. Ce travail a été soutenu par la National Natural Science Foundation of China (21733001, 21920102004, 52021006, 22205011, 92164205 et 22105009), National Key Research & Development Program (2021YFA1202901), Beijing National Laboratory for Molecular Sciences (BNLMS-CXTD-202001) et la Fondation Tencent (LE PRIX XPLORER). CT reconnaît le soutien de la China Postdoctoral Science Foundation et de la bourse postdoctorale Boya. FD et YY reconnaissent l'Institut des sciences fondamentales (IBS-R019-D1) de la République de Corée.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Congwei Tan, Mengshi Yu, Junchuan Tang, Xiaoyin Gao

Centre de nanochimie, Beijing Science and Engineering Center for Nanocarbons, Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing, Chine

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

Centre des matériaux carbonés multidimensionnels, Institut des sciences fondamentales, Ulsan, Corée du Sud

Yuling Yin & Feng Ding

École des sciences et de l'ingénierie des matériaux, Institut national des sciences et technologies d'Ulsan, Ulsan, Corée du Sud

Yuling Yin & Feng Ding

State Key Laboratory of Low-Dimensional Quantum Physics, Département de physique, Université Tsinghua, Pékin, Chine

Xinyu Gao et Kaili Jiang

Centre de recherche sur les nanotechnologies Tsinghua-Foxconn, Université Tsinghua, Pékin, Chine

Xinyu Gao et Kaili Jiang

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HP et CT ont conçu le projet et conçu les expériences. CT et MY ont réalisé la synthèse des ailettes 2D et des hétérostructures ailettes-oxydes 2D. CT, YZ et MY ont préparé les ailerons 2D ultrafins. Xiaoyin Gao et CT ont effectué les caractérisations par spectroscopie STEM et à dispersion d'énergie et ont analysé les résultats. Xinyu Gao, KJ et CT ont effectué les caractérisations SEM haute résolution. CT, JT et JW ont participé à la fabrication du dispositif et à la caractérisation électrique. FD et YY ont effectué les calculs théoriques. CZ, XZ, LZ et HL ont fourni l'analyse des données et des suggestions. CT et HP ont coécrit le manuscrit. HP a supervisé cette recherche. Tous les auteurs ont contribué aux discussions.

Correspondance avec Hailin Peng.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature remercie Haozhe Wang et les autres examinateurs anonymes pour leur contribution à l'examen par les pairs de ce travail.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

a–c, représentation 3D (a), vue de dessus (b) et vue latérale (c) de la structure cristalline du Bi2O2Se. d–f, représentation 3D (d), vue de dessus (e) et vue latérale (f) de la structure cristalline de Bi2SeO5. Notez que les paramètres de réseau et les positions des atomes de Bi et de Se dans la structure cristalline en couches de Bi2SeO5 sont déterminés expérimentalement. Cependant, les positions O dans les couches [SeO3]2− sont déduites de la combinaison des paramètres de réseau, des relations spatiales et de la coordination de Se–O, car l'atome léger O doit être confirmé précisément par des mesures expérimentales plus avancées22. g,h, représentation 3D (g) et (100) réseau à facettes (h) de la structure cristalline de LaAlO3. i,j, représentation 3D (i) et (110) réseau à facettes (j) de la structure cristalline de MgO.

Les ailettes de Bi2O2Se en couches 2D à haute mobilité sont d'abord préparées par épitaxie en tant que squelette par synthèse chimique en phase vapeur, car le ${[{{\rm{Bi}}}_{2}{{\rm{O}}}_{ 2}]}_{{n}}^{2{n}+}$ les couches de cristal de Bi2O2Se ont de nombreuses liaisons pendantes sur les deux bords latéraux, qui peuvent facilement s'incorporer aux atomes actifs provenant directement des surfaces du substrat et former la forte interfaces de collage des bords. L'épitaxie des ailettes Bi2O2Se 2D a été déclenchée à partir des noyaux orientés verticalement et de la croissance anisotrope. De plus, les cristaux de Bi2O2Se ont été oxydés de manière faciale en diélectrique Bi2SeO5 à k élevé au moyen d'une chimie d'intercalation à basse température. Le Bi2SeO5 s'encapsule par épitaxie sur des ailettes de Bi2O2Se en couches 2D pour former les hétérostructures d'oxyde d'ailettes 2D sur des substrats isolés.

a, Photographie du système CVD maison utilisé pour la croissance verticale des réseaux d'ailettes Bi2O2Se 2D. b, Profil de gradient de température au centre d'un tube de quartz lorsque la température du four est fixée à 640 °C. c – e, images schématiques et SEM des réseaux d'ailettes verticales 2D Bi2O2Se synthétisées par la méthode de co-évaporation verticale. f, g, image schématique et SEM des réseaux d'ailettes verticales 2D Bi2O2Se synthétisées par la méthode de transport de gaz. h,i, Image schématique et MEB des réseaux d'ailettes verticales 2D Bi2O2Se synthétisées par la méthode d'oxydation.

a, Schéma de croissance anisotrope des ailettes Bi2O2Se verticales 2D. b,c, Modélisation cristallographique en coupe transversale de l'arrangement atomique interfacial entre l'ailette Bi2O2Se et le substrat LaAlO3 (100). d, Appariement de réseau dans le plan entre l'ailette Bi2O2Se et le substrat LaAlO3 (100). e–h, Schémas (e), AFM (f) et images SEM inclinées (g,h) d'une ailette Bi2O2Se verticale 2D synthétisée avec différents temps de croissance de 10 s, 1 min et 5 min. Notez que l'échantillon et le substrat isolant ont été recouverts d'un film de nanotubes de carbone transparent et conducteur pour éliminer l'effet de charge lors de l'imagerie SEM57. i,j, images SEM inclinées d'ailerons avec différents rapports d'aspect obtenus avec 0 et 40 ppm d'O2, respectivement. Le temps de croissance est d'environ 10 s. k, Statistiques du rapport d'aspect des ailettes en fonction de la concentration en oxygène. l, Statistiques de la hauteur et de l'épaisseur des nageoires en fonction de la concentration en oxygène. m,n, L'image AFM et le profil correspondant d'une ailette 2D de 10 nm d'épaisseur avec un rapport d'aspect d'environ 10 transféré sur des substrats de mica. Le rapport d'aspect élevé (hauteur/épaisseur des ailettes) est induit par la croissance anisotrope des ailettes 2D en couches, qui peuvent être encore modifiées en ajustant la concentration en oxygène pendant la croissance. Lorsque la concentration en oxygène est passée de 0 ppm à environ 40 ppm, le rapport d'aspect des ailettes 2D a diminué d'environ 50 à environ 8. La raison possible du phénomène ci-dessus est probablement liée à l'absorption d'oxygène à la surface du substrat pendant le processus de nucléation. d'ailettes 2D. Lorsque la concentration en oxygène est relativement élevée, le taux d'absorption de l'oxygène est relativement élevé à la surface du substrat, de sorte que les précurseurs absorbés s'accumuleraient et se nucléeraient sur le substrat avec une plus grande probabilité, puis se cristalliseraient en ailettes Bi2O2Se 2D relativement épaisses, ce qui donnerait un aspect plus petit rapport. De plus, après avoir encore raccourci le temps de croissance, le rapport d'aspect de l'ailette 2D de 10 nm d'épaisseur est d'environ 10, ce qui est comparable à l'ailette Si à la pointe de la technologie (également d'environ 10)10.

a,b, Structures optimisées d'îlots de Bi2O2Se en couches 2D sur la surface de LaAlO3 (100), dans lesquelles la différence d'interactions interfaciales est également montrée. Les calculs ont montré une liaison directe des bords du ${[{{\rm{Bi}}}_{2}{{\rm{O}}}_{2}]}_{{n}}^{2 {n}+}$ couches au substrat dans le processus de nucléation verticale des ailettes 2D Bi2O2Se. c, calculs DFT des énergies de liaison d'un îlot Bi2O2Se avec différents types de nucléation sur les surfaces LaAlO3 (100) et MgO (110). Les résultats ont clairement montré que, sur les surfaces LaAlO3 (100) et MgO (110), le Bi2O2Se 2D aligné verticalement est beaucoup plus stable que celui aligné horizontalement par liaison directe à la surface épitaxiale à travers le ${[{{\rm {Bi}}}_{2}{{\rm{O}}}_{2}]}_{{n}}^{2{n}+}$ bord de couche. Nous concluons que la nucléation de Bi2O2Se vertical 2D est régie par un mécanisme guidé par la liaison des bords.

En utilisant la synthèse chimique en phase vapeur, les ailettes Bi2O2Se en couches 2D sont d'abord préparées par épitaxie en tant que squelettes, puis partiellement et intercalativement oxydées en réseaux d'hétérostructures d'oxydes d'ailettes Bi2O2Se/Bi2SeO5 en couches 2D sur LaAlO3 (100) (a, b), MgO (110) (c ,d), CaF2 (110) (e,f), LaAlO3 (110) (g,h), SrTiO3 (110) (i,j) et KTaO3 (110) (k,l).

a, Micrographie STEM haute résolution en coupe transversale des structures d'interface entre l'hétérostructure et le substrat LaAlO3 (100). b, c, modèle FFT expérimental (b) et simulé (c) de a, montrant la relation épitaxiale de Bi2O2Se, Bi2SeO5 et LaAlO3. d, Micrographie STEM haute résolution en coupe transversale des structures d'interface entre l'ailette Bi2O2Se et le substrat LaAlO3 (100). e, Cartographie des contraintes (ɛxx) estimée à partir d'une version filtrée du panel d. f, Images de microscopie électronique à transmission à balayage à fond noir annulaire à angle élevé (HAADF-STEM) de l'interface Bi2O2Se/LaAlO3 avec modèle atomique.

a–n, Courbes de transfert et de sortie pour des longueurs de canal allant de 400 nm à 3 280 nm. o, Tracé du modèle de longueur de transfert de la résistance totale (Rtot) en fonction de la longueur du canal (Lch) à partir des FinFET 2D Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2. Les lignes représentent des ajustements linéaires aux données et l'intersection est utilisée pour extraire la résistance de contact (RC) au moyen de l'équation Rtot = Rch + 2RC, dans laquelle Rch est la résistance du canal.

a, Schéma de principe d'un FinFET 2D fabriqué avec du diélectrique Bi2SeO5 uniquement. b, image SEM à vue inclinée du FinFET tel que fabriqué avec une longueur de canal (Lch) de 3 μm. c, d, Courbes de transfert (c) et de sortie (d) du FinFET en b.

a, b, Schéma de principe des FinFET 2D fabriqués sur l'hétérostructure 2D Bi2O2Se/Bi2SeO5 fin-oxyde (a) et 2D Bi2O2Se fin (b). c, d, courbes de transfert obtenues à partir de FinFET 2D Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2 fabriqués (c) et de FinFET 2D Bi2O2Se/HfO2 (d) avec une longueur de canal de 1,5 μm. e, Transconductance (gm) en fonction des tensions de grille pour les FinFET 2D Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2 et Bi2O2Se/HfO2. f, Mobilité à effet de champ (μ) en fonction des tensions de grille pour les FinFET 2D Bi2O2Se/Bi2SeO5/HfO2 et Bi2O2Se/HfO2.

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Tan, C., Yu, M., Tang, J. et al. Transistors à effet de champ à ailettes 2D intégrés à un oxyde de grille épitaxial à k élevé. Nature 616, 66–72 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05797-z

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Reçu : 01 février 2022

Accepté : 06 février 2023

Publié: 22 mars 2023

Date d'émission : 06 avril 2023

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

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