Scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors

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作者
Yongshan Xu,Teng Liu,Kailang Liu,Yinghe Zhao,Lei Liu,Penghui Li,Anmin Nie,Lixin Liu,Jun Yu,Xinliang Feng,Fuwei Zhuge,Huiqiao Li,Xinran Wang,Tianyou Zhai
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:22 (9): 1078-1084 被引量:214
标识
DOI:10.1038/s41563-023-01626-w
摘要

Two-dimensional (2D) semiconductors are promising channel materials for next-generation field-effect transistors (FETs). However, it remains challenging to integrate ultrathin and uniform high-κ dielectrics on 2D semiconductors to fabricate FETs with large gate capacitance. We report a versatile two-step approach to integrating high-quality dielectric film with sub-1 nm equivalent oxide thickness (EOT) on 2D semiconductors. Inorganic molecular crystal Sb2O3 is homogeneously deposited on 2D semiconductors as a buffer layer, which forms a high-quality oxide-to-semiconductor interface and offers a highly hydrophilic surface, enabling the integration of high-κ dielectrics via atomic layer deposition. Using this approach, we can fabricate monolayer molybdenum disulfide-based FETs with the thinnest EOT (0.67 nm). The transistors exhibit an on/off ratio of over 106 using an ultra-low operating voltage of 0.4 V, achieving unprecedently high gating efficiency. Our results may pave the way for the application of 2D materials in low-power ultrascaling electronics. A van der Waals buffer layer of Sb2O3 enables the integration of high-κ dielectric layer with sub-1 nm equivalent oxide thickness on two-dimensional semiconductors, resulting in high performance of two-dimensional field-effect transistors.
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