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Integration of Freestanding Hafnium Zirconium Oxide Membranes into Two-dimensional Transistors as a High-κ Ferroelectric Dielectric, Nature Electronics volume 8,560–570(2025)
自支撐氧化鉿鋯(HZO)薄膜於二維電晶體中作為高-κ鐵電介電層之開發與整合
Che-Yi Lin*, Bo-Cia Chen, Yu-Chen Liu, Shang-Fu Kuo, Hsien-Chi Tsai, Yuan-Ming Chang*, Chang-Yang Kuo, Chun-Fu Chang, Jyun-Hong Chen, Ying-Hao Chu, Mahito Yamamoto, Chang-Hong Shen, Yu-Lun Chueh, Po-Wen Chiu, Yi-Chun Chen, Jan-Chi Yang*, and Yen-Fu Lin*
2025/12/02
近年原子層沈積(ALD)成長高介電常數材料如 HfO2、Al2O3 已趨成熟，但在二維半導體上沉積成長時常因成長溫度過高或界面缺陷導致介電層品質不佳，也無法維持良好的鐵電特性且在不損害其下之二維材料。為解決此問題，楊展其與林彥甫教授的研究團隊利用脈衝雷射沉積（PLD）技術製作厚度可控的自支撐氧化鉿鋯薄膜(freestanding Hf0.5Zr0.5O2, FS-HZO) ，並成功將其轉移至二硫化鉬（MoS₂）之上，進而製作成場效電晶體(FET)結構。元件展現典型n型特性，於 VDS = 100 mV、VTG = ± 2 V 下，多次量測結果(32個測試樣品)顯示65%的器件具備108以上電流開關比及平均~53 mV/dec的次臨限擺幅。本研究中，其中20 奈米厚的 HZO 膜展現出高介電常數（約 20.6）、低漏電流（低於 2.6×10⁻⁶ A/cm²）及穩定的鐵電性。研究中利用同步輻射的多條先進光束線，共同解析出HZO 薄膜共存的鐵電相(o-phase)與順電相(m-phase)結構(X-ray diffraction, XRD)與電子特性(X-ray linear dichroism, XLD)，且其比例與穩定態受明顯的尺寸效應主宰。研究團隊在先進成長製程控制下，可藉厚度調控其鐵電性，且可有效率地轉移到任何現有的半導體材料與元件。壓電力顯微鏡觀察也證實FS-HZO仍具良好鐵電極化翻轉特性。研究中展性多種經典元件特性，證實FS-HZO介電層的使用與整合可大幅提升2D MOSFET效能，展現其在先進半導體元件的潛力，也為基於原子級厚度材料的高效能晶片設計奠定基礎，未來有望推動新型記憶體與邏輯元件的商業化。