Ultrahigh Dielectric Permittivity in Ultrathin 2D β-Ga 2 O 3 for Advanced Dielectric Applications

材料科学 电介质 电容器 光电子学 介电常数 高-κ电介质 栅极电介质 泄漏(经济) 晶体管 缩放比例 磁滞 阈下传导 栅氧化层 半导体 等效氧化层厚度 逻辑门 介电损耗 阈值电压 电子工程 非易失性存储器 随时间变化的栅氧化层击穿
作者
Xianyu Hu,Zixiong Liu,Xinglong Wang,Qing Guo,Xiyuan Feng,Yunlei Zhong
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c05733
摘要

The continuous scaling of semiconductor devices necessitates the integration of high-permittivity (high-k) dielectrics to maintain gate control and reduce power consumption. Here, we report an ultrahigh dielectric constant (k) of ∼150 in ultrathin (10 nm) β-gallium oxide (β-Ga2O3) metal-insulator-metal capacitors. Photoresponse and microstructural analyses link the giant permittivity to an oxygen vacancy (VO)-ordered phase. The fabricated capacitors exhibit excellent performance for memory applications, including low dielectric loss (<0.02 at 100 kHz), low leakage current (<10-7 A/cm2), high operating speed (>20 MHz), and high endurance (>1010 cycles). To validate practical utility, MoS2 field-effect transistors gated by β-Ga2O3 were fabricated, exhibiting a high on/off ratio (>106), a low subthreshold swing (SS) of 68.1 mV/dec, negligible hysteresis (5.8 mV), and ultralow gate leakage (∼10-13 A). These findings establish ultrathin β-Ga2O3 as a compelling high-k material for next-generation logic and memory devices.
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