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浙大学者发现新型界面电子气,有望构筑更实用的氧化物场效应晶体管

发布时间:2019-12-12来源:浙大新闻办作者:柯溢能0

芯片最底层、处于核心地位的架构是场效应晶体管,它在这个重要的“大脑”中高速开展着数据储存与运算。

现代场效应晶体管主要由半导体材料(Semiconductor)硅构筑,在硅与绝缘氧化物(Oxide)界面铺设了一条可供电子(或空穴)奔跑的“高速公路”,结合金属电极(Metal)控制“公路”的“开”和“关”,搭建信息处理的基层MOSMetal-Oxide-Semiconductor)结构。在这条“高速公路”里,以流动着的电子为例,因为其密度比较低,类似于气体的定义,科学界把它称为“电子气体(electron gas)”,简称“电子气”。

随着人类对芯片应用需求的不断提升,科研人员不断将硅基MOS结构向小型化方向推进,目前已接近受量子力学原理限制的瓶颈。寻找能够超越硅的新材料是各方关注的热点。钛酸锶正是这样一种极有潜力的氧化物材料,它不仅物理化学性质优异,而且功能远比硅更加丰富,在发展下一代场效应晶体管方面被给予厚望。

近日,澳门银河娱乐网站物理学系百人计划研究员谢燕武课题组,联合澳门银河娱乐网站电镜中心田鹤课题组、张泽院士以及美国斯坦福大学Harold Hwang教授,首次发现在钛酸锶与铪酸钙异质界面存在一种与钛酸锶终止面无关的,且又极为稳定的电子气。这项研究为氧化物电子器件的发展提供一个新的实用平台。

这项工作近日被刊发在国际知名杂志《自然·通讯》(Nature Communications)上,澳门银河娱乐网站物理学系2016级博士生张蒙和电镜中心博士生杜凯为文章共同第一作者,物理学系谢燕武研究员和电镜中心田鹤研究员为文章共同通讯作者。

试验20多种材料后,偶然发现新材料

半导体工业是现代社会发展和科技进步的基础产业,也是上述“高速公路”实现的主要途径。但是随着技术手段的不断提升和换代,越来越接近摩尔定律的极限,整个半导体器件工业的性能提升和突破变得越来越困难。寻找具有类似特性的功能材料和器件设计就被研究人员逐步提上了日程。

氧化物电子器件是下一代功能性器件的有力竞争者之一。从已有的各种结果看,钛酸锶是实验室条件下替代硅的重要候选材料之一。作为早期人造宝石材料来源的钛酸锶,其单晶基片本身是绝缘的,被广泛应用于生长高温超导等复杂氧化物薄膜。2004Harold Hwang教授等人意外地发现绝缘的铝酸镧薄膜和绝缘的钛酸锶基片结合在一起后界面却出现了高迁移率的电子气。这一轰动性的发现掀起了钛酸锶界面电子气研究的热潮。    

随着研究的持续深入,科研人员发现,电子气只偏爱氧化钛终止面(表面)的钛酸锶。对于氧化锶终止面的钛酸锶,尽管它与氧化钛终止面的钛酸锶仅仅表面一个原子层有差别,但是电子气却了无踪影。此外,关于电子气的来源,目前学界尚有争议。

针对这一状况,谢燕武课题组系统地开展了钛酸锶相关界面电子气物理机制研究,对已知存在电子气的界面体系进行一一重复试验,并探索了大量新的界面体系。在长达两年多的实验中,课题组偶然发现了一种神奇的材料,铪酸钙,其不再“挑剔”,在两种终止面(氧化锶和氧化钛)的钛酸锶基片上都能产生高迁移率的电子气。浙大电镜中心的田鹤课题组和张泽院士对这一界面体系进行了深入细致的表征分析。

这是截至目前发现的唯一具有如此性质的氧化物界面体系,至于这种特殊性质的来源,浙大团队给出了一种可能的解释,但还需要更加深入的研究和验证。

两种终止面样品的结构表征


极度稳定,为器件应用打下基础

浙大团队表示,以往发现的钛酸锶界面电子气虽然具有极为有趣的物理性质,但有一个大缺点,“不爱洗澡”。 尽管结构本身非常稳定,但是一旦碰到水、酒精、丙酮等这些实验室常见溶剂,电子气的浓度就变了,吹干了也不行。

在对界面电子气物理机制的研究中,浙大团队把“洗澡”作为一个检测手段,给每一新合成的组合都“洗个澡”,然后烘干测试电输运性质的变化。这样才意外地发现了这个“不怕洗澡”的铪酸钙与钛酸锶界面组合。

给新样品洗完澡,我们发现‘不怕水’。” 张蒙笑着说。

浙大团队表示,目前的实验表明,“新界面电子气”对环境变化(如温度、湿度、氧压、溶剂等)都不敏感,这对于制作电子器件来说是一个极大的利好,可以避免制备中间过程对器件性能的影响。值得一提的是,研究人员文中提到已经成功利用该体系做出了简单的场效应晶体管,为将来实现更加全面的应用提供了参考。

简单场效应晶体管的示意图和调控效果

浙大团队表示,铪酸钙与钛酸锶异质界面结构是非常好的研究体系,其优势在于界面电子气的出现与基片终止面无关,具有极高的稳定性,并且该体系中铪酸钙材料本身也是一种优良的介电材料,对调控界面电子气来说很有优势。

这项研究受到科技部重点研发计划和中央高校基本科研业务费资助。

论文链接https://www_nature.gg363.site/articles/s41467-019-12036-5