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A native oxide high-κ gate dielectric for two-dimensional electronics

材料科学 电介质 光电子学 栅极电介质 半导体 高-κ电介质 微电子 场效应晶体管 等效氧化层厚度 纳米技术 氧化物 栅氧化层 晶体管 电气工程 电压 冶金 工程类
作者
Tianran Li,Teng Tu,Yuanwei Sun,Huixia Fu,Yu Jia,Lei Xing,Ziang Wang,Huimin Wang,Rundong Jia,Jinxiong Wu,Congwei Tan,Yan Liang,Yichi Zhang,Congcong Zhang,Yumin Dai,Chenguang Qiu,Ming Li,Ru Huang,Liying Jiao,Keji Lai,Binghai Yan,Peng Gao,Hailin Peng
出处
期刊:Nature electronics [Nature Portfolio]
卷期号:3 (8): 473-478 被引量:195
标识
DOI:10.1038/s41928-020-0444-6
摘要

Silicon-based transistors are approaching their physical limits and thus new high-mobility semiconductors are sought to replace silicon in the microelectronics industry. Both bulk materials (such as silicon-germanium and III–V semiconductors) and low-dimensional nanomaterials (such as one-dimensional carbon nanotubes and two-dimensional transition metal dichalcogenides) have been explored, but, unlike silicon, which uses silicon dioxide (SiO2) as its gate dielectric, these materials suffer from the absence of a high-quality native oxide as a dielectric counterpart. This can lead to compatibility problems in practical devices. Here, we show that an atomically thin gate dielectric of bismuth selenite (Bi2SeO5) can be conformally formed via layer-by-layer oxidization of an underlying high-mobility two-dimensional semiconductor, Bi2O2Se. Using this native oxide dielectric, high-performance Bi2O2Se field-effect transistors can be created, as well as inverter circuits that exhibit a large voltage gain (as high as 150). The high dielectric constant (~21) of Bi2SeO5 allows its equivalent oxide thickness to be reduced to 0.9 nm while maintaining a gate leakage lower than thermal SiO2. The Bi2SeO5 can also be selectively etched away by a wet chemical method that leaves the mobility of the underlying Bi2O2Se semiconductor almost unchanged. An atomically thin high-κ gate dielectric of Bi2SeO5 can be formed via layer-by-layer oxidization of an underlying two-dimensional semiconductor, allowing high-performance field-effect transistors and inverters to be fabricated.
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