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图. 在二维材料上沉积的超薄high-k栅介质层以及晶体管特性曲线示例
在国家自然科学基金项目（批准号：61734003，61521001，61851401）等资助下，南京大学王欣然、施毅教授团队与加州大学洛杉矶分校段镶锋(Xiangfeng Duan)教授、新加坡国立大学陈伟(Wei Chen)教授、东京大学长汐晃辅(K. Nagashio)教授、南京大学王鹏和马海波教授、中电55所陈堂胜研究员等课题组开展多学科合作，在二维电子器件研究方面取得重要进展。相关成果以“Uniform and Ultrathin High-κ Gate Dielectrics for Two-dimensional Electronic Devices”（具有高质量超薄高κ栅介质的二维电子器件）为题，于2019年12月9日在Nature Electronics(《自然电子学》)上在线发表。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41928-019-0334-y。
二维半导体材料具有非零带隙、极限沟道厚度、高迁移率等特点，可以显著增加栅极调控能力，是有望继续延伸摩尔定律的新型电子材料之一。然而，由于二维材料表面无悬挂键，无法利用传统原子层沉积工艺制备高质量栅极介质层，导致界面态和等效氧化层厚度（EOT）远高于硅基CMOS晶体管。因此，开发针对二维材料的高质量、超薄，并且与大面积工艺兼容的介质层集成工艺，是制备二维电子器件的瓶颈之一。
针对上述关键问题，该合作团队利用二维材料与分子之间的范德瓦尔斯作用，以0.3纳米厚的单层分子晶体作为界面层，在二维材料上实现了高质量、超薄high-κ介质层沉积技术。凭借该技术，他们首次在石墨烯、MoS2和WSe2等二维材料上制备了原子级平整度、低界面态密度和高击穿电场的1 nm EOT，制备的介质层漏电流密度与CMOS水平相当，并且通过石墨烯射频器件验证了该介质层可以工作在10 GHz以上。利用他们提出的分子辅助超薄介质层沉积技术，二维半导体场效应晶体管的亚阈值摆幅降至60 mV/dec的理论极限，工作电压降至0.8 V，并且在20 nm沟道长度下未发现显著的短沟道效应，进一步实现的二维CMOS反相器功耗小于1 nW。
研究工作突破了二维电子器件超薄介电层集成这一瓶颈，适用于多种二维材料，并且兼容大面积化学气相沉积技术，有望推动二维集成电路的发展。