手套箱气氛调控下磁控共溅射 HfAlO₂高 k 栅介质制备及 MoTe₂晶体管研究
发布日期：2026-10-29 浏览次数：44
一、研究背景与科学问题
随着硅基微电子工艺逼近物理极限，沟道尺寸缩放到纳米尺度后，传统体硅材料在短沟道效应、功耗与漏电等方面已难以为继。以过渡金属硫族化合物（TMDs）为代表的超薄二维半导体，因具备原子级厚度、无悬挂键表面、优异载流子输运能力，被视为后摩尔时代极具潜力的沟道材料。其中 MoTe₂兼具 2H 半导体相与 1T′半金属相的双相特性，在二维电子器件与逻辑应用中受到广泛关注。
然而，栅极电介质是制约超薄 TMDs 晶体管性能的关键瓶颈之一。传统硅基工艺中成熟的 SiO₂、Al₂O₃、HfO₂等二元氧化物栅介质，直接用于超薄 TMDs 器件时存在诸多不匹配：介电常数、结晶温度、界面态密度、陷阱电荷与能带结构等指标难以同时满足二维半导体的要求，导致器件阈值电压漂移、亚阈值摆幅增大、载流子迁移率下降。因此，开发既能继承二元氧化物优点、又能抑制其组分缺陷的三元氧化物栅介质，成为一种可行且重要的策略。本文研究正围绕这一核心问题展开，通过磁控共溅射工艺制备高质量三元 HfAlO₂栅介质，并应用于高性能 MoTe₂晶体管的构筑。
二、研究基本内容（三大核心模块）
本研究整体可划分为 “栅介质制备 — 器件构筑 — 性能优化” 三条主线：
（一）磁控共溅射制备高质量三元 HfAlO₂栅介质薄膜
通过磁控共溅射（HfO₂与 Al₂O₃双靶材共溅射）制备 HfAlO₂薄膜，并对溅射工艺与后退火参数进行系统优化，最终获得的关键工艺窗口如下：
- 靶材功率比例：HfO₂:Al₂O₃ = 50 W:80 W；
- 溅射气氛：Ar + 0.5%O₂；
- 退火温度：400℃；
- 退火氛围：Ar:H₂ = 9:1，快速退火 2 min。
在该条件下溅射 29 min，获得厚度约 29 nm 的 HfAlO₂薄膜，其综合性能显著优于二元 Al₂O₃与 HfO₂组分，达到栅介质工艺标准：
- 结晶温度高于 600℃，热稳定性良好；
- 光学带隙约 5.49 eV，与 MoTe₂能带匹配度好，利于抑制漏电；
- 表面粗糙度低（Ra≈0.519 nm），界面平整；
- 介电常数较高（k≈17.93）；
- 击穿电压大于 10 V，漏电流密度低至 1.20×10⁻⁷ A/cm²。
X 射线光电子能谱（XPS）分析表明，薄膜主要由Hf–O、Al–O 与 Hf–Al–O三类键构成，其中Hf–Al–O 键占比约 50.1%，印证了三元组分的均匀混合与结构稳定。
（二）高性能多层 MoTe₂晶体管的构筑与接触优化
采用化学气相输运（CVT）法制备 2H-MoTe₂单晶，通过机械剥离获得纳米片，并分别以 SiO₂和 HfAlO₂为栅介质构筑晶体管，器件均呈典型 p 型输运特性。对比结果显示：
与 SiO₂栅介质相比，2H-MoTe₂/HfAlO₂晶体管性能更优，典型亚阈值摆幅 SS=381.94 mV/dec，减小约 88.03%，显著降低器件功耗。
在此基础上，进一步利用半金属 1T′-MoTe₂改善源漏电极接触特性，器件性能获得数量级提升：
- 开关比达 1.13×10⁶，提高近 2 个数量级；
- 载流子迁移率 μ=6.21 cm²/V・s，提高约 19.4 倍；
- 亚阈值摆幅降至 SS=157.44 mV/dec，降低约 58.8%。
（三）双层 MoTe₂晶体管的极限性能探索
在 CVT 制备的 2H-MoTe₂单晶基础上，通过机械剥离获得双层 2H-MoTe₂纳米片，以 HfAlO₂为栅介质制备双层 MoTe₂晶体管：
- 开关比 Ion/Ioff 超过 10⁸，为目前 MoTe₂晶体管报道的最高值；
- 亚阈值摆幅 SS=71.22 mV/dec，已接近理论极限 60 mV/dec。
该结果标志着三元高 k 栅介质与二维 MoTe₂沟道结合的器件性能已达到国际领先水平，充分验证了 HfAlO₂作为超薄 TMDs 器件栅介质的可行性。
三、研究方法体系
本研究形成了 “三元栅介质 — 单晶制备 — 器件构筑 — 性能表征” 的完整方法链：
1. 磁控共溅射：双靶共溅射实现 HfO₂与 Al₂O₃的原子级均匀混合，突破二元氧化物的组分单一性限制；
2. 化学气相输运（CVT）：以碘等为输运剂生长高结晶质量 2H-MoTe₂单晶；
3. 机械剥离：从单晶表面逐层剥离获得少层 / 双层 MoTe₂纳米片，保持晶格完整性；
4. 后退火处理：在受控气氛下快速退火，调控栅介质薄膜的成键状态与界面质量；
5. 器件构筑与电学表征：结合电极接触工程（半金属 1T′-MoTe₂）与亚阈值、迁移率、开关比等参数评估，验证栅介质与沟道的匹配效果。
四、研究进展与现状
从现有成果看，本研究已在多个层面取得突破性进展：
材料层面：确立了 HfAlO₂磁控共溅射的完整工艺窗口，实现了高于二元氧化物组分的综合薄膜性能，解决了 “高 k 与高稳定性难以兼得” 的矛盾；
- 器件层面：实现从多层到双层的器件性能跃迁，双层 MoTe₂晶体管开关比突破 10⁸，亚阈值摆幅逼近 60 mV/dec 理论极限，处于国际领先；
- 接触工程层面：利用 1T′-MoTe₂半金属相优化电极接触，克服了传统金属电极与二维半导体间接触电阻大的瓶颈。五、研究前景随着二维半导体器件向规模化、低功耗方向演进，本研究具备广阔前景：
- 栅介质体系拓展：三元 / 多元高 k 栅介质的组分设计思路可迁移至其他 TMDs 沟道（如 MoS₂、WSe₂）及更多二维材料平台；
- 器件性能提升：结合先进光刻与接触工程，有望推动亚阈值摆幅进一步逼近乃至突破理论极限，支撑低功耗逻辑器件；
- 产业化潜力：磁控共溅射与 CVT 均属于可规模化、可重复性好的工艺路线，为二维电子器件从实验室走向产线奠定基础。
六、手套箱在本研究核心环节中的运用解析
作为从事手套箱制造的厂家，九晟手套箱深知：TMDs 材料对水、氧极为敏感，MoTe₂在空气中极易氧化劣化。本研究从单晶生长到器件构筑的多个核心环节，均对高纯惰性气氛环境提出刚性需求，手套箱正是保障这些环节 “无氧无水” 操作的关键装备。具体参与环节如下：
环节一：CVT 单晶生长 —— 前驱体称量与装管
CVT 法制备 2H-MoTe₂，需要将钼（Mo）粉、碲（Te）粉及输运剂（碘 I₂）按精确化学计量比称量并封入石英管。这一过程存在两大风险：
- 水氧敏感性：Mo、Te 前驱体在空气中易氧化，影响输运反应与单晶化学计量比；
- 毒性与挥发：I₂易升华挥发、Te 及其化合物具毒性，敞开操作存在吸入与污染风险。
手套箱运用：九晟高纯惰性气氛手套箱（Ar 气氛、水氧含量 < 0.1 ppm）为原料的储存、称量、混合与装管提供全流程密闭保护，既防止前驱体氧化，又实现剧毒物质的密闭安全操作，确保单晶生长的重复性与结晶质量。
环节二：单晶 / 纳米片的储存与传递生长
完成后的 MoTe₂单晶及机械剥离获得的薄层纳米片，暴露于空气中表面会迅速吸附水氧、形成氧化层，直接影响界面质量与器件性能。
手套箱运用：单晶与纳米片在手套箱内进行储存、分类与传递，全程保持惰性气氛，杜绝表面氧化与污染，为后续器件构筑保存 “洁净” 材料。
环节三：机械剥离与纳米片筛选
机械剥离是获得双层 2H-MoTe₂纳米片的核心手段，剥离过程若在空气中进行，纳米片极易发生氧化卷边、吸附杂质，导致界面态密度上升。
手套箱运用：剥离、挑选、转移纳米片等精密操作在手套箱内完成，配合高精度电子秤与显微操作平台，确保获得尺寸、厚度可控且表面洁净的双层纳米片，这是实现开关比 > 10⁸、SS 逼近 60 mV/dec 的前提保障。
环节四：器件构筑与界面保护
以 HfAlO₂为栅介质构筑晶体管，涉及纳米片转移、栅介质沉积与电极制备等步骤，任何一步引入水氧都将造成界面陷阱与漏电劣化。
手套箱运用：器件构筑全流程在手套箱内衔接，避免中间暴露于空气；同时手套箱还可与溅射、真空退火等设备联动，实现 “材料制备 — 器件构筑” 的无暴露连贯工艺，最大限度保护 MoTe₂/HfAlO₂界面的洁净与稳定。
环节五：后退火的气氛控制
HfAlO₂薄膜在 Ar:H₂=9:1 气氛下快速退火 2 min，以优化成键与界面质量。还原性气氛既能抑制界面氧化，又能钝化陷阱。
手套箱运用：与退火设备联动的九晟手套箱可提供稳定、可控的高纯气氛环境与洁净操作空间，保障退火过程的重复性和器件一致性。
本研究以磁控共溅射三元 HfAlO₂栅介质为核心，贯通 “栅介质 — 单晶 — 器件” 全链条，实现了双层 MoTe₂晶体管开关比突破 10⁸、亚阈值摆幅逼近理论极限的领先成果，充分证明了三元高 k 栅介质在超薄二维半导体器件中的可行性。而贯穿单晶生长、纳米片制备与器件构筑全程的高纯惰性气氛手套箱，正是守护 MoTe₂这类水氧敏感二维材料 “无氧无水” 制备与器件化的关键装备 —— 这正是九晟手套箱能够为二维半导体、新型电子材料与器件研究提供核心保障的价值所在。
一、研究背景与科学问题
随着硅基微电子工艺逼近物理极限，沟道尺寸缩放到纳米尺度后，传统体硅材料在短沟道效应、功耗与漏电等方面已难以为继。以过渡金属硫族化合物（TMDs）为代表的超薄二维半导体，因具备原子级厚度、无悬挂键表面、优异载流子输运能力，被视为后摩尔时代极具潜力的沟道材料。其中 MoTe₂兼具 2H 半导体相与 1T′半金属相的双相特性，在二维电子器件与逻辑应用中受到广泛关注。
然而，栅极电介质是制约超薄 TMDs 晶体管性能的关键瓶颈之一。传统硅基工艺中成熟的 SiO₂、Al₂O₃、HfO₂等二元氧化物栅介质，直接用于超薄 TMDs 器件时存在诸多不匹配：介电常数、结晶温度、界面态密度、陷阱电荷与能带结构等指标难以同时满足二维半导体的要求，导致器件阈值电压漂移、亚阈值摆幅增大、载流子迁移率下降。因此，开发既能继承二元氧化物优点、又能抑制其组分缺陷的三元氧化物栅介质，成为一种可行且重要的策略。本文研究正围绕这一核心问题展开，通过磁控共溅射工艺制备高质量三元 HfAlO₂栅介质，并应用于高性能 MoTe₂晶体管的构筑。
二、研究基本内容（三大核心模块）
本研究整体可划分为 “栅介质制备 — 器件构筑 — 性能优化” 三条主线：
（一）磁控共溅射制备高质量三元 HfAlO₂栅介质薄膜
通过磁控共溅射（HfO₂与 Al₂O₃双靶材共溅射）制备 HfAlO₂薄膜，并对溅射工艺与后退火参数进行系统优化，最终获得的关键工艺窗口如下：
- 靶材功率比例：HfO₂:Al₂O₃ = 50 W:80 W；
- 溅射气氛：Ar + 0.5%O₂；
- 退火温度：400℃；
- 退火氛围：Ar:H₂ = 9:1，快速退火 2 min。
在该条件下溅射 29 min，获得厚度约 29 nm 的 HfAlO₂薄膜，其综合性能显著优于二元 Al₂O₃与 HfO₂组分，达到栅介质工艺标准：
- 结晶温度高于 600℃，热稳定性良好；
- 光学带隙约 5.49 eV，与 MoTe₂能带匹配度好，利于抑制漏电；
- 表面粗糙度低（Ra≈0.519 nm），界面平整；
- 介电常数较高（k≈17.93）；
- 击穿电压大于 10 V，漏电流密度低至 1.20×10⁻⁷ A/cm²。
X 射线光电子能谱（XPS）分析表明，薄膜主要由Hf–O、Al–O 与 Hf–Al–O三类键构成，其中Hf–Al–O 键占比约 50.1%，印证了三元组分的均匀混合与结构稳定。
（二）高性能多层 MoTe₂晶体管的构筑与接触优化
采用化学气相输运（CVT）法制备 2H-MoTe₂单晶，通过机械剥离获得纳米片，并分别以 SiO₂和 HfAlO₂为栅介质构筑晶体管，器件均呈典型 p 型输运特性。对比结果显示：
与 SiO₂栅介质相比，2H-MoTe₂/HfAlO₂晶体管性能更优，典型亚阈值摆幅 SS=381.94 mV/dec，减小约 88.03%，显著降低器件功耗。
在此基础上，进一步利用半金属 1T′-MoTe₂改善源漏电极接触特性，器件性能获得数量级提升：
- 开关比达 1.13×10⁶，提高近 2 个数量级；
- 载流子迁移率 μ=6.21 cm²/V・s，提高约 19.4 倍；
- 亚阈值摆幅降至 SS=157.44 mV/dec，降低约 58.8%。
（三）双层 MoTe₂晶体管的极限性能探索
在 CVT 制备的 2H-MoTe₂单晶基础上，通过机械剥离获得双层 2H-MoTe₂纳米片，以 HfAlO₂为栅介质制备双层 MoTe₂晶体管：
- 开关比 Ion/Ioff 超过 10⁸，为目前 MoTe₂晶体管报道的最高值；
- 亚阈值摆幅 SS=71.22 mV/dec，已接近理论极限 60 mV/dec。
该结果标志着三元高 k 栅介质与二维 MoTe₂沟道结合的器件性能已达到国际领先水平，充分验证了 HfAlO₂作为超薄 TMDs 器件栅介质的可行性。
三、研究方法体系
本研究形成了 “三元栅介质 — 单晶制备 — 器件构筑 — 性能表征” 的完整方法链：
1. 磁控共溅射：双靶共溅射实现 HfO₂与 Al₂O₃的原子级均匀混合，突破二元氧化物的组分单一性限制；
2. 化学气相输运（CVT）：以碘等为输运剂生长高结晶质量 2H-MoTe₂单晶；
3. 机械剥离：从单晶表面逐层剥离获得少层 / 双层 MoTe₂纳米片，保持晶格完整性；
4. 后退火处理：在受控气氛下快速退火，调控栅介质薄膜的成键状态与界面质量；
5. 器件构筑与电学表征：结合电极接触工程（半金属 1T′-MoTe₂）与亚阈值、迁移率、开关比等参数评估，验证栅介质与沟道的匹配效果。
四、研究进展与现状
从现有成果看，本研究已在多个层面取得突破性进展：
材料层面：确立了 HfAlO₂磁控共溅射的完整工艺窗口，实现了高于二元氧化物组分的综合薄膜性能，解决了 “高 k 与高稳定性难以兼得” 的矛盾；
- 器件层面：实现从多层到双层的器件性能跃迁，双层 MoTe₂晶体管开关比突破 10⁸，亚阈值摆幅逼近 60 mV/dec 理论极限，处于国际领先；
- 接触工程层面：利用 1T′-MoTe₂半金属相优化电极接触，克服了传统金属电极与二维半导体间接触电阻大的瓶颈。五、研究前景随着二维半导体器件向规模化、低功耗方向演进，本研究具备广阔前景：
- 栅介质体系拓展：三元 / 多元高 k 栅介质的组分设计思路可迁移至其他 TMDs 沟道（如 MoS₂、WSe₂）及更多二维材料平台；
- 器件性能提升：结合先进光刻与接触工程，有望推动亚阈值摆幅进一步逼近乃至突破理论极限，支撑低功耗逻辑器件；
- 产业化潜力：磁控共溅射与 CVT 均属于可规模化、可重复性好的工艺路线，为二维电子器件从实验室走向产线奠定基础。
六、手套箱在本研究核心环节中的运用解析
作为从事手套箱制造的厂家，九晟手套箱深知：TMDs 材料对水、氧极为敏感，MoTe₂在空气中极易氧化劣化。本研究从单晶生长到器件构筑的多个核心环节，均对高纯惰性气氛环境提出刚性需求，手套箱正是保障这些环节 “无氧无水” 操作的关键装备。具体参与环节如下：
环节一：CVT 单晶生长 —— 前驱体称量与装管
CVT 法制备 2H-MoTe₂，需要将钼（Mo）粉、碲（Te）粉及输运剂（碘 I₂）按精确化学计量比称量并封入石英管。这一过程存在两大风险：
- 水氧敏感性：Mo、Te 前驱体在空气中易氧化，影响输运反应与单晶化学计量比；
- 毒性与挥发：I₂易升华挥发、Te 及其化合物具毒性，敞开操作存在吸入与污染风险。
手套箱运用：九晟高纯惰性气氛手套箱（Ar 气氛、水氧含量 < 0.1 ppm）为原料的储存、称量、混合与装管提供全流程密闭保护，既防止前驱体氧化，又实现剧毒物质的密闭安全操作，确保单晶生长的重复性与结晶质量。
环节二：单晶 / 纳米片的储存与传递生长
完成后的 MoTe₂单晶及机械剥离获得的薄层纳米片，暴露于空气中表面会迅速吸附水氧、形成氧化层，直接影响界面质量与器件性能。
手套箱运用：单晶与纳米片在手套箱内进行储存、分类与传递，全程保持惰性气氛，杜绝表面氧化与污染，为后续器件构筑保存 “洁净” 材料。
环节三：机械剥离与纳米片筛选
机械剥离是获得双层 2H-MoTe₂纳米片的核心手段，剥离过程若在空气中进行，纳米片极易发生氧化卷边、吸附杂质，导致界面态密度上升。
手套箱运用：剥离、挑选、转移纳米片等精密操作在手套箱内完成，配合高精度电子秤与显微操作平台，确保获得尺寸、厚度可控且表面洁净的双层纳米片，这是实现开关比 > 10⁸、SS 逼近 60 mV/dec 的前提保障。
环节四：器件构筑与界面保护
以 HfAlO₂为栅介质构筑晶体管，涉及纳米片转移、栅介质沉积与电极制备等步骤，任何一步引入水氧都将造成界面陷阱与漏电劣化。
手套箱运用：器件构筑全流程在手套箱内衔接，避免中间暴露于空气；同时手套箱还可与溅射、真空退火等设备联动，实现 “材料制备 — 器件构筑” 的无暴露连贯工艺，最大限度保护 MoTe₂/HfAlO₂界面的洁净与稳定。
环节五：后退火的气氛控制
HfAlO₂薄膜在 Ar:H₂=9:1 气氛下快速退火 2 min，以优化成键与界面质量。还原性气氛既能抑制界面氧化，又能钝化陷阱。
手套箱运用：与退火设备联动的九晟手套箱可提供稳定、可控的高纯气氛环境与洁净操作空间，保障退火过程的重复性和器件一致性。
本研究以磁控共溅射三元 HfAlO₂栅介质为核心，贯通 “栅介质 — 单晶 — 器件” 全链条，实现了双层 MoTe₂晶体管开关比突破 10⁸、亚阈值摆幅逼近理论极限的领先成果，充分证明了三元高 k 栅介质在超薄二维半导体器件中的可行性。而贯穿单晶生长、纳米片制备与器件构筑全程的高纯惰性气氛手套箱，正是守护 MoTe₂这类水氧敏感二维材料 “无氧无水” 制备与器件化的关键装备 —— 这正是九晟手套箱能够为二维半导体、新型电子材料与器件研究提供核心保障的价值所在。
