近日，西电微电子学院刘琛副教授等人在高性能可控降解场效应晶体管器件研究方面取得重要进展，创新性地采用PEALD技术在超薄硅纳米膜表面低温生长HfO₂/Al₂O₃叠层栅，研制出基于可降解衬底PLGA-Gel-CS的高性能硅纳米膜场效应晶体管器件，沟道电子迁移率达到871 cm²V⁻¹s⁻¹，为截止目前柔性硅基场效应晶体管报道最高值。相关成果以《Nanolaminated HfO2/Al2O3 Dielectrics for High-Performance Silicon Nanomembrane Based Field-Effect Transistors on Biodegradable Substrates》为题发表于国际权威期刊《Advanced Materials Interfaces》2022年第32期，并被选为当期内封面（Inside Back Cover）论文突出报道。论文第一作者和通讯作者为刘琛副教授，在读博士研究生王卓凡为论文共同第一作者。

瞬态电子器件具有在外界触发因子作用下可生物降解的特性，因此在绿色电子、植入式医疗、信息安全和环境监测等领域具有广泛的应用。相比于有机半导体材料，单晶硅纳米薄膜由于其具有高电子迁移率以及与成熟的CMOS工艺兼容等优势，更适合用作高性能瞬态晶体管器件的功能材料。目前，常用的低温淀积技术如PECVD、电子束蒸发等虽然可以满足柔性衬底低耐热性的要求，但无法在超薄硅沟道上制备出高界面质量的栅介质。因此，瞬态硅基场效应晶体管的研制主要是采用先高温热氧化生长SiO₂层作为栅介质，再通过转印技术将制备好的器件整体剥离并转移到可降解衬底上，可以看出其工艺成本和复杂度较高。同时，SiO₂层的相对介电常数仅为3.9，一定程度上限制了场效应器件对生物电信号的采集能力和响应速度的提升。

该研究团队针对这一问题，通过低温PEALD技术在转印后的硅纳米膜表面直接生长HfO₂/Al₂O₃超薄叠层栅介质，实现对超薄硅沟道界面的高效钝化，构筑了基于生物可降解PLGA-Gel-CS衬底的高性能柔性硅基MOSFET器件阵列，沟道电子迁移率达到871 cm2 V−1 s−1，为现有文献报道中柔性硅基场效应晶体管迁移率最高值，同时器件开关比突破10⁷，栅泄漏电流低于2.7× 10⁻⁷A cm⁻²。该器件浸没于96 ℃的磷酸盐缓冲液(PBS)中，在预定的16 h内发生完全功能自毁和形态降解。团队还研究了该瞬态器件在不同温度的PBS溶液中电容-电压、电流-电压随降解时间的变化关系，揭示了MOS器件界面及氧化层电荷变化调控器件自毁行为的物理规律。研究成果为精准可控寿命的瞬态电子器件结构优化设计提供了重要的理论依据，在未来生物可吸收的植入式医疗电子领域具有重要的应用价值。

基于生物可降解PLGA-Gel-CS衬底的高性能瞬态硅基MOSFET器件阵列示意图、电学特性及降解动态过程

论文信息

Chen Liu*, Zhuofan Wang, Yuming Zhang, Hongliang Lü, Yi-Men Zhang. “Nanolaminated HfO₂/Al₂O₃Dielectrics for High-Performance Silicon Nanomembrane Based Field-Effect Transistors on Biodegradable Substrates”, Advanced Materials Interfaces, 2022, 9, 2201477.

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admi.202201477