Película dieléctrica de alta constante dieléctrica para dispositivos electrónicos bidimensionales: fluoruro de calcio
Para superar el cuello de botella de la Ley de Moore, los investigadores introdujeron materiales bidimensionales como capas de canales en transistores de efecto de campo. Los materiales semiconductores bidimensionales, como el sulfuro de molibdeno, tienen las características de espesor atómico, inercia superficial sin enlaces colgantes y alta concentración y movilidad de portadores. En teoría, este material podría reducir el tamaño de los transistores de efecto de campo sin degradar el rendimiento del dispositivo. Sin embargo, introducir materiales 2D en dispositivos micronanoelectrónicos es una tarea desafiante porque no solo es necesario demostrar que el dispositivo después de introducir materiales 2D presenta mayores ventajas de rendimiento, sino que también debe superar los desafíos de preparar materiales 2D e integrarlos en dispositivos micronanoelectrónicos. -Dispositivos nanoelectrónicos: efectos negativos de la integración de materiales 2D en dispositivos basados en silicio, como ruido de parpadeo, histéresis, deriva a largo plazo debido a la inestabilidad de la temperatura de polarización, baja movilidad y fluctuaciones por debajo del umbral.
Recientemente, el equipo del profesor Mario Lanza publicó un resumen titulado “El fluoruro de calcio como electrónica de alta k para electrónica 2D” en Applied Physics Reviews y fue seleccionado como artículo recomendado por los editores. Wen Chao, estudiante de maestría en la Universidad de Suzhou, es el primer autor del artículo, y Mario Lanza, profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah, es el autor correspondiente. Este artículo estudia sistemáticamente la viabilidad de las películas de fluoruro de calcio como materiales dieléctricos para dispositivos micronanoelectrónicos bidimensionales desde tres aspectos: métodos de síntesis de materiales, propiedades eléctricas y aplicaciones actuales, y propone posibles soluciones a los desafíos que enfrentan las futuras investigaciones sobre el fluoruro de calcio. películas.
Este artículo revisa primero el estado actual de la síntesis de materiales de películas dieléctricas de fluoruro de calcio y compara los materiales fluorados sintetizados por varios métodos (deposición de capas atómicas, deposición química de vapor, evaporación térmica y epitaxia de haz molecular). la calidad de las películas de calcio, se cree que la epitaxia de haz molecular es el mejor método para cultivar películas de fluoruro de calcio en esta etapa. La película de fluoruro de calcio cultivada sobre un sustrato de silicio (111) utilizando este método tiene una alta cristalinidad, sin agrupaciones de defectos, una superficie lisa y una baja densidad de defectos con el sustrato. Al mismo tiempo, el plano cristalino (111) de la película de fluoruro de calcio no tiene enlaces colgantes y es químicamente inerte. La buena interfaz entre la superficie del fluoruro de calcio (111) cultivada con epitaxia del haz molecular y el material 2D se puede medir in situ mediante difracción de electrones de alta energía por reflexión. El sistema de epitaxia de haz molecular es caro, la operación es relativamente compleja y la tasa de crecimiento de la película de fluoruro de calcio es baja (1,3 nm/min). La calidad de las películas de fluoruro de calcio cultivadas mediante métodos sintéticos comúnmente utilizados en la industria (deposición química de vapor, deposición de capas atómicas y evaporación térmica) es inferior a la epitaxia de haz molecular en términos de cristalinidad y densidad de enlaces colgantes, pero el menor costo de estos métodos puede hacer que permitirá a la industria seguir sintetizando y optimizando películas dieléctricas de fluoruro de calcio. Además, diferentes dispositivos electrónicos requieren diferentes concentraciones de defectos, y las películas de fluoruro de calcio sintetizadas mediante estos métodos se pueden usar en otros tipos de dispositivos micronanoelectrónicos.
Figura 1. (a) Morfología de películas de fluoruro de calcio cultivadas mediante epitaxia de haz molecular a alta temperatura (b) Morfología de películas de fluoruro de calcio cultivadas mediante epitaxia de haz molecular a baja temperatura (250 °C); epitaxia del haz a 300 K Crecimiento epitaxial de una película de fluoruro de calcio sobre un sustrato de cobre (d) Película de fluoruro de calcio cultivada por deposición química de vapor (e) Película de fluoruro de calcio cultivada por evaporación térmica a altas temperaturas;
En segundo lugar, se analizan las propiedades eléctricas de las películas de fluoruro de calcio, incluido el ancho de banda prohibida, la constante dieléctrica y la rigidez dieléctrica, tanto a partir de cálculos teóricos como de mediciones experimentales. Los autores primero resumen los valores de varios parámetros en la literatura, discuten la confiabilidad de los métodos de medición para obtener estos parámetros y comparan los parámetros eléctricos del fluoruro de calcio con otros dieléctricos utilizados en dispositivos micro y nanoelectrónicos. A través de la comparación, se puede concluir que el fluoruro de calcio es un material dieléctrico ideal con una banda prohibida alta, una constante dieléctrica alta y una rigidez dieléctrica alta, que puede prevenir eficazmente la corriente de fuga.
Figura 2. (A) Diagrama esquemático de la medición de las propiedades eléctricas a nanoescala de películas de fluoruro de calcio mediante microscopía conductiva de fuerza atómica. (bd) curvas características de voltios-amperios de cuatro películas dieléctricas medidas en diferentes posiciones.
Luego, el autor analiza la aplicación de películas de fluoruro de calcio en dispositivos micronanoelectrónicos, como transistores de efecto de campo de cristal, transistores orgánicos de película delgada, sensores de luz y diodos. Debido a sus excelentes propiedades eléctricas y la escalabilidad del método de síntesis, las películas de fluoruro de calcio exhiben un excelente potencial de integración en diferentes dispositivos electrónicos de estado sólido.
Al mismo tiempo, la interfaz de alta calidad similar a la de Van der Waals formada entre las caras cristalinas de la película de fluoruro de calcio (11) cultivada sobre el sustrato de silicio (11) a través de la epitaxia del haz molecular puede reducir la dispersión de electrones, superar los efectos negativos y ralentizar el proceso de degradación del dispositivo, mejorando así el rendimiento de los dispositivos micronanoelectrónicos bidimensionales.
Figura 3. (a) Diagrama esquemático del transistor de efecto de campo de silicio tipo mos 2/caf 2(111)/n. Curva característica del transistor de efecto de campo. Tubo de aluminio/fluoruro de calcio/efecto campo de diamante. (e-f) Curvas características voltios-amperios de transistores de efecto de campo de patrón d.
Finalmente, el autor resume algunos desafíos en la integración de dispositivos micronanoelectrónicos bidimensionales y películas de fluoruro de calcio y propone posibles soluciones:
Enlace del artículo:
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0036987