前沿|2D High-K材料为晶体管提供新的方向

　　什么是High-K?

　　“K”代表介电常数，一般指的是材料集中电场的能力。在高介电常数的绝缘体中，相同的材料厚度下，该材料能够储存更多的电流容量。因此，High-K材料一般指高介电常数的材料。

　　导读

　　近日，美国斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的研究人员共同发现将硒化铪(HfSe2)和硒化锆(ZrSe2)这类High-K材料降低厚度变成2D的超薄材料，其拥有宽度相似的禁带。而采用了这种High-K材料的器件能够将体积缩小10倍左右。

　　研究内容

　　斯坦福大学的研究人员表示，他们尝试着将High-K材料（HfSe2和ZrSe2）变薄到单层的厚度（大约3个原子厚度）。在这种情况下，这两种材料的禁带宽度仍然在合适的范围内（1eV左右）。然而对于其他的半导体材料，在减小材料厚度到5纳米以下的时候，其自身的载流子迁移率就会急剧的降低，同时禁带宽度会上升。

　　2D High-K材料的应用

　　在当今的集成电路中，MOSFET常常作为一种基础元件。而在设计MOSFET栅极的时候，设计人员一般会在栅极下方先设计一层绝缘层。这一层绝缘层主要用来隔绝栅极与沟道之间的电流。但是随着制程工艺的提升，元件的体积逐渐的减小，栅极下方的绝缘层将很难起到绝缘的效果。这时设计人员就会采用High-K材料在保持厚度不变的前提下，变相增加绝缘效果。

　　研究人员表示，通过使用2D High-K材料，这种超薄的晶体管的栅极长度同样可以减小。High-K材料同样可以提供更低的工作电压。研究人员预测这种材料可以将晶体管的体积压缩到极其小的范围内，比其他的传统晶体管小10倍左右。

　　2D High-K材料的制作要求

　　首先，对于High-K材料来说，虽然具有很好的电气特性，但是在生长工艺中很难直接生长在硅表面，这中间需要再添加一层缓冲层来解决晶格失配的问题。

　　其次，HfSe2和ZrSe2 材料都需要生长在大面积的衬底上，这种方法可以有效的控制生长的厚度和结晶度。除此之外，在氧化环节还需要更精确的控制技术来确保高品质的High-K材料。

　　2D High-K材料目前的问题

　　由于晶体管体积的减小，在超薄材料上制作触点成为了目前新的挑战。研究人员认为在超薄2D材料以及晶体管中，制作高品质的触点是目前面临的一个重点难题。

　　结论

　　研究人员表示，2D High-K材料在商业化应用方面还需要大量的工艺环节需要攻克，但是作为一种新的晶体管结构，其优秀的体积控制等特性，给晶体管设计人员带来了新的思路。

　　出自：spectrum.ieee.org