南京大学李卫胜副教授,苏州科技大学姜昱丞教授,上海交通大学王林副教授 APL——面向二维电子器件的紫外线臭氧氧化高介电TaOx介电层
投稿邮箱：wedotech2025@163.com投稿电话：16622153402（微信同号）
随着硅基技术不断逼近物理微缩极限，开发新型电子材料已成为迫切需求。二维半导体因具有较高载流子迁移率、优异栅控能力、易于垂直集成以及良好的CMOS兼容性，被认为是未来晶体管沟道材料的重要候选；而在其表面构筑具有超薄等效氧化层厚度的高k介质，则是实现高导通电流和低电压工作的关键。然而，由于二维半导体表面缺乏悬挂键，传统原子层沉积等方法通常需要引入成核中介层，这一原位沉积过程容易损伤二维沟道并在界面处引入散射中心和陷阱态，进而导致电荷散射、费米能级钉扎和边界陷阱等问题，最终表现为漏电增大、迁移率下降、亚阈值摆幅恶化和功耗上升。因此，如何构筑高质量高k介质及其低损伤沉积策略，仍是推动二维半导体集成电路可扩展发展的核心挑战。相比传统HfO₂、Al₂O₃等高k氧化物介质，范德华介质因具有原子级平整表面和更低无序缺陷密度，在二维器件中展现出明显优势。以h-BN以及近年来发展的CaF₂、Sb₂O₃和SrTiO₃等为代表的范德华绝缘体，已验证能够通过低缺陷界面显著改善二维场效应晶体管性能，但在面向大规模MOSFET集成时，这些材料仍普遍面临工艺复杂、材料质量控制困难以及介电常数偏低等限制，因此仍需进一步突破。
南京大学李卫胜副教授，苏州科技大学姜昱丞教授和上海交通大学王林副教授利用紫外臭氧氧化方法将TaS₂转化为TaOₓ栅介质层，获得了兼具高介电常数（约28）和高击穿场强（>8 MV cm⁻¹）的优质介质，并在TaOₓ厚度为6.9 nm时实现了约1 nm的等效氧化层厚度。基于该栅介质构筑的MoS₂晶体管表现出优异的电学性能，包括超过10⁷的静态开关比、低至64 mV/dec的亚阈值摆幅以及约10 mV以下的极小迟滞窗口。进一步结合n型MoS₂与p型WSe₂晶体管，研究实现了NOT、NAND和NOR等基本逻辑电路，其中反相器的静态电压增益最高达到260，处于当前过渡金属硫族化物反相器报道中的领先水平。整体来看，这一优异性能来源于高质量TaOₓ介质层与二维半导体出色静电调控能力的协同作用。该文章以“UV ozone oxidized high-k TaOx dielectric with van der Waals interface for two-dimensional electronic devices ”为题发表在国际顶级期刊Applied Physics Letters上。
图1-TaS₂经紫外臭氧氧化形成TaOₓ介质及其高质量范德华界面：图1主要展示了TaOₓ高k栅介质的制备过程及其界面结构基础。通过紫外臭氧氧化，层状TaS₂可逐步转化为TaOₓ，且氧化前后薄片表面依然保持原子级平整，厚度变化很小，说明该方法具有较好的结构保持性。进一步的截面高分辨TEM和元素分布结果表明，TaOₓ与二维半导体之间形成了平整、致密且无明显损伤的范德华界面。该图的核心意义在于说明，这种由TaS₂原位转化得到的TaOₓ不仅可作为高质量介质层，而且能够与二维沟道构筑低缺陷、高完整性的异质界面。
图2-TaOₓ介质的介电性能、等效氧化层厚度与击穿特性：图2主要表征TaOₓ作为栅介质的本征电学性能。借助sMIM测试与标定分析，作者提取出TaOₓ具有较高的介电常数，且在数纳米厚度范围内仍能维持优异介电响应，从而使6.9 nm厚的TaOₓ可实现约1 nm的等效氧化层厚度。与此同时，不同厚度样品均表现出较高击穿场强和较低漏电流密度，说明TaOₓ兼具高k特性与良好绝缘稳定性。该图表明，TaOₓ已经在介电常数、EOT缩减、漏电控制和可靠性之间取得了较好的平衡，为后续高性能二维晶体管提供了关键栅介质条件。
图3-基于TaOₓ栅介质的MoS₂/WSe₂晶体管及高增益反相器性能：图3重点展示了TaOₓ应用于二维晶体管后的器件性能提升及其在基本逻辑单元中的表现。无论是n型MoS₂还是p型WSe₂晶体管，都表现出明显的栅压调控能力、较高的开关比和良好的输出特性，其中MoS₂器件还实现了接近理想值的亚阈值摆幅和极小迟滞。进一步将n型与p型器件集成为CMOS反相器后，输出电压随输入电压呈现清晰反转关系，并获得高达260的静态电压增益。该图说明，高质量TaOₓ/二维半导体界面显著改善了栅控效率，使器件不仅在单管层面性能优异，也具备构建高性能低功耗逻辑单元的能力。
图4-基于TaOₓ介质的二维互补逻辑电路实现：图4进一步验证了TaOₓ栅介质在电路层面的应用潜力。通过集成n型MoS₂与p型WSe₂晶体管，作者构建了NOT、NAND和NOR三类基本逻辑电路，并用真值表、器件版图和时序输出结果证明这些逻辑功能均可稳定实现。各逻辑门在不同输入组合下输出状态清晰，与预期逻辑关系一致，表明该体系已经能够支持互补逻辑运算。该图的意义在于说明，TaOₓ不仅提升了单器件性能，更为二维半导体向低功耗、可集成逻辑电路发展提供了可行的介质平台。
【文献总结】
文章通过紫外臭氧氧化方法将层状TaS₂转化为TaOₓ栅介质层，并进一步借助范德华组装与二维半导体沟道集成，构筑了高质量二维电子器件。该方法具有非破坏、无污染的特点，能够在介质层与沟道之间形成原子级平整且低杂质的洁净界面。所得TaOₓ介质具有较高介电常数（约28），基于其制备的背栅MoS₂晶体管表现出超过10⁸的开关比、极小的迟滞和DIBL、低至64 mV/dec的亚阈值摆幅，以及约6.8 × 10¹¹ cm⁻² eV⁻¹的低界面陷阱态密度。进一步结合n型MoS₂与p型WSe₂晶体管，作者实现了低静态功耗的NOT、NAND和NOR逻辑电路，其中反相器的静态电压增益高达260，处于当前二维材料反相器报道中的前沿水平。总体而言，该工作为二维材料在低功耗、超微缩电子器件中的应用提供了一条有前景的实现路径。
文章信息：T. Tong, Y. Gao, Y. F. Long et al. UV ozone oxidized high-k TaOx dielectric with van der Waals interface for two-dimensional electronic devices Available. Appl. Phys. Lett. 128, 152101 (2026).
https://doi.org/10.1063/5.0321761
