【Nature Electronics】二维钙钛矿氧化物SNO作为high-κ栅介质的应用

【Li, S., Liu, X., Yang, H. et al. Two-dimensional perovskite oxide as a photoactive high-κ gate dielectric. Nat Electron 7, 216–224 (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01129-9】

概括总结：

本研究探讨了二维钙钛矿氧化物Sr2Nb3O10（SNO）作为光活性高介电常数（high-κ）栅介质材料在光晶体管中的应用。通过自上而下的制备方法，SNO成功地与多种二维通道材料集成，展现出高介电常数、适中的带隙以及优异的光电性能。研究结果表明，SNO基光晶体管在可见光和紫外光照射下表现出极高的光电转换效率和快速的响应速度，实现了紫外-可见光双波段光电探测。

研究背景：

随着电子器件的不断微型化，对高介电常数栅介质材料的需求日益增长，以提高器件性能并降低功耗。然而，传统的三维介质材料难以与二维材料的无悬挂键表面集成，因此开发与二维半导体兼容的高介电常数栅介质材料是当前研究的热点。

研究目的：

本研究旨在探索SNO作为高介电常数栅介质材料在光晶体管中的应用潜力，以及其与不同二维通道材料的集成效果，以实现高性能的光电探测。

实验方法：

研究人员采用自上而下的剥离方法制备SNO纳米片，并将其与石墨烯、二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）和二硒化钨（WSe2）等多种二维通道材料集成。通过电子束光刻、金属接触蒸发等工艺步骤制备器件，并通过Keithley 4200-SCS参数分析仪对器件的电子和光电性能进行测试。

研究结果：

SNO展现出24.6的高介电常数，与不同二维通道材料的集成表现出优异的器件性能。特别是，MoS2基光晶体管在2V供电电压下展现出106的开关比和88mV/dec的次阈值摆动。在光探测方面，WS2基光晶体管在可见光和紫外光照射下展现出约106的光电流与暗电流比以及5.5×10^3 A/W的紫外光响应度。

结果解释：

SNO的高介电常数和适中的带隙使其能够有效地作为光活性高介电常数栅介质。在光照条件下，SNO不仅能通过栅极电压调控通道材料的载流子密度，还能通过从SNO到通道材料的光生载流子转移增强光电流。

研究的创新点和亮点：

1. SNO材料的高介电常数和适中的带隙为二维电子器件提供了一种新的高介电常数栅介质材料。
2. SNO与多种二维材料的简单集成方法避免了复杂的外延生长和晶格匹配问题。
3. 实现了紫外-可见光双波段光电探测，为集成光电子器件提供了新的解决方案。

研究的意义和应用前景：

本研究不仅为二维电子器件提供了一种高性能的栅介质材料，还为光电探测器的发展提供了新的设计思路。SNO基光晶体管的优异性能预示着其在低功耗电子器件、高速光通信以及多功能集成光电子系统中的广泛应用前景。此外，SNO的双波段光电探测能力为实现更小型化、更高效的光电传感系统提供了可能，对于推动未来光电子技术的发展具有重要意义。

图1:SNO纳米片的制备和表征。

• a) 展示了SNO纳米片的制备和器件制备过程的示意图。
• b) 通过原子力显微镜（AFM）图像展示了SNO纳米片的平滑表面和沿白色虚线的高度剖面。
• c) 透射电子显微镜（TEM）图像展示了单个SNO纳米片的形态。
• d) 高分辨率TEM（HRTEM）图像显示了SNO的清晰晶格和晶格间距。
• e) 对应的选区电子衍射（SAED）模式，显示了沿[001]晶向的清晰衍射图案。
• f) 横截面HRTEM图像清晰显示了二维钙钛矿氧化物的层状结构。
• g) 对应的SAED图案显示了(001)和(100)方向的锐利衍射斑点。

图2:SNO的介电性能。

• a) 展示了具有SNO顶栅介质的双栅石墨烯场效应晶体管（FET）的示意图和光学图像。
• b) 展示了在不同顶栅电压（VTG）下，背栅电压（VBG）对总电阻的影响。
• c) 展示了石墨烯FET的背栅Dirac点电压与顶栅电压的关系。
• d) 展示了SNO介电常数与厚度的关系。
• e) 展示了SNO的紫外-可见吸收光谱，插图为Tauc图，显示了SNO的光学带隙。
• f) 展示了SNO纳米片的电流-电压（I-V）特性。

图3:采用SNO顶栅介质的双栅MoS2光电晶体管。

• a) 展示了双栅MoS2光晶体管的示意图。
• b) 展示了SNO/MoS2异质结构的横截面HRTEM图像。
• c) 展示了横截面扫描透射电子显微镜图像和相应元素的能谱分析（EDS）映射。
• d) 展示了在黑暗条件下，不同顶栅电压下测量的MoS2光晶体管的输出曲线（IDS-VDS）。
• e) 展示了在不同源-漏电压（VDS）下测量的光晶体管的转移特性（IDS-VTG）。
• f) 展示了在不同背栅电压下测量的设备转移特性（IDS-VTG）。

图4:SNO顶栅介质双栅MoS2光电晶体管的光响应。

• a) 和 b) 分别展示了在600nm（可见光）和300nm（紫外光）光照开关周期下，设备的时间分辨IDS曲线。
• c) 和 d) 分别展示了在600nm（可见光）和300nm（紫外光）光照开关周期下，设备的时间分辨IGS曲线。
• e) 展示了在不同顶栅电压下，从a和b中提取的光晶体管的暗电流（Idark）和光电流（Iphoto）。
• f) 展示了设备在300nm和600nm光照下的响应度（R）和特定探测度（D*）与顶栅电压的关系。
• g) 展示了双栅MoS2光晶体管在黑暗、可见光照明和紫外光照明下的能带图。

图5:采用SNO顶栅介质的双栅WS2光电晶体管的电学特性和光响应。

• a) 展示了双栅WS2光晶体管的示意图。
• b) 展示了在黑暗条件下，不同背栅电压下测量的设备转移特性（IDS-VTG）。
• c) 展示了在600nm光照开关周期下，不同顶栅电压下设备的时间分辨IDS曲线。
• d) 和 e) 分别展示了在600nm（可见光）和300nm（紫外光）光照开关周期下，设备的时间分辨IGS曲线。
• f) 展示了设备在不同顶栅电压下的光谱响应度，根据不同波长下的IDS计算得出。
• g) 展示了设备在可见光和紫外光照明下的示意图。
• h) 展示了设备在VDS=1V和VTG=-6V下，在可见光（600nm）和紫外光（254nm）光照开关下的时间分辨IDS和IGS曲线。
• i) 展示了输入光信号与输出电信号之间的关系，从h中提取得出。