气相沉积法制备二硫化钼顶栅薄膜晶体管的可扩展介电层工程研究

这篇研究论文创新性地采用引发式化学气相沉积（iCVD）技术在二硫化钼（MoS2）表面构建超薄聚三甲基三乙烯基环三硅氧烷（pV3D3）介电缓冲层，成功解决了高介电常数（high-k）HfO2与二维材料界面兼容性难题。通过优化pV3D3/HfO2叠层结构，实现了亚阈值摆幅（SS）低至60.9 mV/dec、界面态密度（Dit）8.9×1010 cm?2 eV?1的顶栅晶体管，并验证了其在柔性电子和逻辑电路中的应用潜力。

　　

介电层工程突破二维半导体集成瓶颈

1 引言

随着物联网（IoT）时代到来，适应多样化环境的半导体技术需求激增。二硫化钼（MoS₂）作为代表性二维半导体，因其0.7 nm超薄厚度、无悬挂键表面和优异机械柔性，成为下一代薄膜晶体管（TFT）的理想材料。然而其化学惰性表面导致高介电常数（high-k）介质集成困难，传统原子层沉积（ALD）工艺易引发界面缺陷和不可控电荷掺杂。

2 结果与讨论

2.1 iCVD法制备超薄pV3D3介电层

研究团队采用垂直喷头式iCVD系统，在40°C基底温度下沉积2 nm厚pV3D3薄膜。透射电镜（TEM）显示该层在MoS₂表面形成无针孔覆盖，表面粗糙度（RMS）仅0.36 nm。X射线光电子能谱（XPS）证实其硅氧烷网络以三官能团（T型）结构为主，介电常数达3.3。与纯HfO₂相比，pV3D3/HfO₂叠层的击穿场强提升至8.5 MV/cm，漏电流密度降低两个数量级。

2.2 pV3D3对MoS₂沟道的调控机制

电学测试表明，直接沉积HfO₂会导致MoS₂阈值电压（V_TH）负移8.6 V，而插入pV3D3后仅偏移1.8 V。拉曼光谱证实pV3D3能将HfO₂诱导的A_1g峰红移从1.56 cm^?1降至0.7 cm^?1，光致发光（PL）谱显示激子峰位移减少60%。这些结果揭示pV3D3可有效抑制氧空位介导的电子掺杂和界面应力。

2.3 顶栅晶体管性能突破

采用pV3D3/HfO₂介电叠层的顶栅器件展现出近乎理想的开关特性：亚阈值摆幅（SS_min）达60.9 mV/dec，滞后仅20 mV。通过重叠顶栅结构设计，器件开态电流提升两个数量级，场效应迁移率（μ_FE）达19.2 cm²/V·s，开关比（I_ON/I_OFF）超过10⁸。低频噪声分析显示霍格参数（γ）为0.036，证实载流子散射为主要噪声源。

2.4 柔性器件与逻辑电路验证

在聚酰亚胺（PI）基底上制备的柔性晶体管在1.25%拉伸应变下性能波动<10%，经历1000次弯曲后仍保持稳定。基于该器件的逆变器在3V电压下实现34.6倍增益，NAND/NOR逻辑门在1V低电压下即可正常工作，证实该技术对柔性电子系统的适用性。

3 结论

该研究通过iCVD介电层工程，为二维半导体与high-k介质的集成提供了可扩展解决方案。pV3D3缓冲层既能保持MoS₂本征特性，又可抑制界面缺陷，为开发低功耗柔性电子器件开辟了新路径。