HfSe 2 and ZrSe 2 : Two-dimensional semiconductors with native high-κ oxides

电介质 半导体 带隙 晶体管 绝缘体(电) 单层 绝缘体上的硅 工程物理 材料科学 纳米技术 电压 光电子学 电气工程 物理 工程类
作者
Michal J. Mleczko,Chaofan Zhang,Hye Ryoung Lee,Hsueh-Hui Kuo,Blanka Magyari-Köpe,R. G. Moore,Zhi‐Xun Shen,I. R. Fisher,Yoshio Nishi,Eric Pop
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:3 (8) 被引量:231
标识
DOI:10.1126/sciadv.1700481
摘要

The success of silicon as a dominant semiconductor technology has been enabled by its moderate band gap (1.1 eV), permitting low-voltage operation at reduced leakage current, and the existence of SiO2 as a high-quality "native" insulator. In contrast, other mainstream semiconductors lack stable oxides and must rely on deposited insulators, presenting numerous compatibility challenges. We demonstrate that layered two-dimensional (2D) semiconductors HfSe2 and ZrSe2 have band gaps of 0.9 to 1.2 eV (bulk to monolayer) and technologically desirable "high-κ" native dielectrics HfO2 and ZrO2, respectively. We use spectroscopic and computational studies to elucidate their electronic band structure and then fabricate air-stable transistors down to three-layer thickness with careful processing and dielectric encapsulation. Electronic measurements reveal promising performance (on/off ratio > 106; on current, ~30 μA/μm), with native oxides reducing the effects of interfacial traps. These are the first 2D materials to demonstrate technologically relevant properties of silicon, in addition to unique compatibility with high-κ dielectrics, and scaling benefits from their atomically thin nature.

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