在過去的幾十年里，世界各地的電子工程師和材料科學家一直在研究各種材料在制造晶體管、放大或切換電子設備中的電信號的設備方面的潛力。眾所周知，二維 (2D) 半導體是用于制造新電子器件的特別有前途的材料。

　　盡管它們具有優勢，但這些材料在電子產品中的使用很大程度上取決于它們與高質量電介質、絕緣材料或電流不良導體材料的集成。然而，這些材料可能難以沉積在二維半導體基板上。

　　南洋理工大學、北京大學、清華大學和北京量子信息科學研究院的研究人員最近展示了利用范德華力成功地將單晶滴定鍶(一種高 κ 鈣鈦礦氧化物)與二維半導體集成。他們的論文發表在Nature Electronics上，可以為開發新型晶體管和電子元件開辟新的可能性。

　　“我們的工作主要受到2016 年發表在Nature Materials上的一篇論文的啟發，”進行這項研究的兩名研究人員 Wang Xiao Renshaw 和 Allen Jian Yang 告訴 TechXplore。“本文介紹了一種獨立的單晶鈣鈦礦薄膜的智能方法，這種薄膜通常被視為易碎的陶瓷，但具有豐富的功能。這種方法提供了將這些材料轉移到任意基板上并將它們與各種材料集成的機會。”

　　作為最有前途的鈣鈦礦氧化物之一，SrTiO 3表現出極高的介電常數。然而，已發現將鈣鈦礦氧化物與具有不同原子結構的材料結合起來幾乎是不可能的。

　　“傳統上，單晶鈣鈦礦氧化物和二維層狀半導體之間的晶格失配阻礙了高質量氧化物覆蓋層的外延生長，”Renshaw 和 Yang 解釋說。“此外，涉及高溫和氧氣氣氛的單晶鈣鈦礦氧化物的生長條件不利于二維層狀半導體。然而，在我們的范德華集成過程中，鈣鈦礦氧化物是在晶格匹配的氧化物上生長的襯底，然后在室溫下轉移到二維層狀半導體上。”

　　Renshaw Wang、Yang 和他們的同事之前進行了幾項研究，重點關注生長氧化物和 2D 電子器件的技術。基于他們在之前工作中取得的成果，他們開始嘗試將高 κ 鈣鈦礦氧化物和 2D 層狀半導體結合起來，以制造高性能晶體管。

　　為了實現這一目標，研究人員在水溶性犧牲層上生長了高 κ 鈣鈦礦氧化物。隨后，他們從該層中取出鈣鈦礦氧化物，并使用彈性體載體(即聚二甲基硅氧烷或 PDMS)將其轉移到兩種類型的二維半導體上。他們特別使用了二硫化鉬和二硒化鎢，這兩種不同的二維半導體使他們能夠分別制造 n 型和 p 型晶體管。

　　Renshaw Wang 和 Yang 在一系列測試中評估了他們制造的晶體管，發現它們取得了顯著的成果。具體而言，二硫化鉬晶體管在1 V 的電源電壓和 66 mV dec-1 的最小亞閾值擺幅下表現出10的八次方的開/關電流比。

　　“我們成功地繞過了高 κ 鈣鈦礦氧化物和二維半導體集成的限制，我們的方法可以實現幾乎無限的材料組合，”Renshaw Wang 和 Yang 說。

　　“此外，我們發現轉移的高 k鈣鈦礦氧化物和 MoS 2之間的界面質量很高，因為它使我們能夠制造具有突然亞閾值斜率的場效應晶體管。”

　　作為他們最近研究的一部分，研究人員表明，他們創造的晶體管可用于制造高性能和低功耗互補金屬氧化物半導體逆變器電路。未來，他們的設備可以大規模制造，用于開發低功耗的邏輯電路和微芯片。

　　“在我們接下來的研究中，我們將嘗試進一步提高高 k鈣鈦礦氧化物的質量，以降低晶體管和邏輯門的電源電壓，”Renshaw 和 Yang 補充道。“同時，我們將監測柵極泄漏電流，并在必要時采用緩沖層或雙高 k 氧化物來阻止柵極泄漏。”