Super High-k Unit-Cell-Thick α-CaCr2O4 Crystals

材料科学 单位(环理论) 结晶学 化学 数学 数学教育
作者
Hui Li,Chuan Xu,Zhibo Liu,Tianya Zhou,Jinmeng Tong,Qiang Wang,Xuanya Liu,Qianqian Jin,Hui‐Ming Cheng,Wencai Ren
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (45): 31014-31020
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c07032
摘要

High-dielectric-constant (high-k) insulators are indispensable components to integrate semiconductors into metal-oxide-semiconductor field-effect transistors with sub-10 nm channel length, where the equivalent oxide thickness (EOT) of high-k insulator needs to be decreased to subnanometer scale. The traditional insulators, including Al2O3, SiO2, and HfO2, fit well with the existing silicon industry but suffer from serious degeneration of insulating properties, such as large leakage currents caused by high-density borders and interface traps, when their thicknesses are reduced to a few nanometers. Here, we synthesize a high-quality nonlayered ultrathin α-CaCr2O4 crystal down to unit-cell thickness (∼1.2 nm) by an elements slow-supply chemical vapor deposition (CVD) method. The unit-cell-thick α-CaCr2O4 crystals show a super high dielectric constant of 87.34, which is over 20 times higher than that of well-known layered insulator h-BN and corresponds to an EOT below 1 nm. Furthermore, it has a high breaking strength (39 GPa) and excellent stability. This strategy can also be used to fabricate other ultrathin ternary oxides, such as high-k ultrathin FeNb2O6 crystals, demonstrating the universality of the CVD method.

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