氟化鈣—用於二維電子器件的超薄高k電介質材料
2020-08-01 知社學術圈
機械剝離的二維（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範德華界面。然而，由於六方氮化硼具有較低的介電常數（≈3.9），在以六方氮化硼為電介質的超大規模器件中會出現高漏電流和過早的介電擊穿現象。另外，可擴展方法（例如化學氣相沉積）合成六方氮化硼的過程中需要非常高的溫度（> 900°C），並且製得的六方氮化硼包含大量的原子級尺寸的非晶區，從而降低了其均質性和介電強度。
7月17日，蘇州大學功能納米與軟物質學院Mario Lanza教授團隊聯合俄羅斯科學院艾菲物理技術研究所Nikolai S. Sokolov團隊、維也納工業大學微電子學研究所Tibor Grasser團隊, 德根多夫理工學院機械工程與機電一體化系Werner Frammelsberger教授，在Advanced Materials上發表題為 「Dielectric Properties of Ultrathin CaF2 Ionic Crystals」 的研究論文，報導了分子束外延法製備的超薄氟化鈣薄膜具有優異的介電性能。
通過導電原子力顯微鏡對分子束外延法生長的超薄（約2.5納米）氟化鈣薄膜進行電學測試。通過在該超薄材料三千多個位置進行電流-電壓曲線測試和電流圖測試，發現氟化鈣顯示出比工業生產的二氧化矽，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度）。其主要原因是氟化鈣具有連續的立方晶體結構，並且其在大區域內沒有形成電弱點的缺陷。而同時，氟化鈣（111晶面）可以和2D材料間形成準範德華結構，可用於解決場效應管中二維管道和三維柵介質之間的接觸問題。
圖文解析
在矽（111）晶面上使用分子束外延法生長高質量的2.5納米厚的氟化鈣薄膜。通過透射電子顯微鏡表徵發現，氟化鈣薄膜的立方晶體結構展現出不同的圖案，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. 氟化鈣薄膜的高解析度橫截面TEM圖像。a–c）具有亞納米級解析度的大面積TEM圖像顯示了氟化鈣薄膜中無定形缺陷區域的連續立方晶體結構。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於TEM電子束的不同角度有關。比例尺：（a）–（c）中為3 納米，（d）–（g）中為2 納米。
通過導電原子力顯微鏡，在高真空條件下表徵氟化鈣薄膜的電學特性，並與工業化生產的二氧化矽、原子層沉積的二氧化鈦、化學氣相沉積生長的六方氮化硼進行對比。通過分析在樣品不同位置採集的電流與電壓曲線（I-V），發現氟化鈣薄膜表現出與其他電介質完全不同的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，和其它三種電介質相比，氟化鈣薄膜在不同位置的電流電壓曲線十分集中，顯出最高的電學均一性。
圖2. 通過導電原子力顯微鏡表徵氟化鈣、二氧化矽、二氧化鈦和六方氮化硼的電均質性。通過施加0至10 伏的斜坡電壓應力，在2.5 納米的氟化鈣、4.7納米的二氧化矽、2納米二氧化鈦/1. 5nm氧化矽以及約6納米的六方氮化硼四個樣品的表面上收集電流電壓曲線。每個圖中為在300多個不同位置收集的電流電壓曲線。同時顯示了開啟電壓的平均值（μ）和標準偏差（σ）。
為進一步證實這一觀點，對所有樣品的不同位置施加恆定電壓並採集電流圖。電流圖中的紅色斑點代表該位置的電流比其他位置的電流更高。統計分析結果顯示氟化鈣樣品中的導電斑點的平均半徑僅為3.7納米，遠小於二氧化矽樣品（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）中的導電位點。
圖3. 在四個樣品上收集的電流圖以及對每個電流圖中觀察到的導電位點大小的統計分析。比例尺：氟化鈣中為30 納米，二氧化矽、二氧化鈦和六方氮化硼中100納米。
為進一步分析氟化鈣樣品中超過納安級別的電流，將導電探針連接到對數前置放大器重複該實驗。實驗表明，在電介質擊穿之前，超薄氟化鈣樣品中的洩漏電流要比二氧化矽樣品中的洩漏電流小得多。該特性可以用來改善電子設備的可靠性和隨時間變化的波動性。此外，氟化鈣的介電強度約為27.8±1.7 MV cm-1，可以與工業生產的二氧化矽的介電強度（20.3±0.9 MV cm-1）媲美。
圖4. 氟化鈣和二氧化矽中的洩漏電流和介電強度分析。使用對數前置放大器通過施加0至10 V的斜坡電壓應力，在2.5納米氟化鈣和4.7納米二氧化矽樣品的表面上收集的電流電壓曲線。
總結與展望
本文研究結果表明，超薄氟化鈣薄膜在受到電應力作用下展現出高均勻性，高介電強度（約27.8 MVcm-1）和低洩漏電流。本文對解決傳統絕緣電介質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注和深入研究。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202002525
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