The field-effect transistors (FETs) using 2D materials as channel materials have received great attention in the future development of integrated circuits, where the selection of gate dielectrics with better interface and gate control capabilities has become a focal research area. In this work, we applied a large-scale CaF2 film as the top gate dielectric of the FETs, which achieved a subthreshold swing of 90 mV/dec, an on/off ratio of 106, and a transfer curve hysteresis window below 10 mV. Additionally, large-sized array devices were fabricated, which exhibited stable electrical performance. Theoretical calculations have shown the formation of a quasi-van der Waals interface without bonding between CaF2 and the channel, which is consistent with the results observed using transmission electron microscopy. Our work represents significant technological advances in the development of 2D FETs, holding profound implications for the future design and fabrication of low-power electronic devices.

1.
K. S.
Novoselov
,
A.
Mishchenko
,
A.
Carvalho
, and
A. C.
Neto
,
Science
353
(
6298
),
aac9439
(
2016
).
2.
C.
Liu
,
H.
Chen
,
S.
Wang
,
Q.
Liu
,
Y.
Jiang
,
D. W.
Zhang
,
M.
Liu
, and
P.
Zhou
,
Nat. Nanotechnol.
15
,
545
557
(
2020
).
3.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
S. V.
Dubonos
,
I. V.
Grigorieva
, and
A. A.
Firsov
,
Science
306
,
666
669
(
2004
).
4.
B.
Radisavljevic
,
A.
Radenovic
,
J.
Brivio
,
V.
Giacometti
, and
A.
Kis
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
147
150
(
2011
).
5.
W.
Cao
,
H.
Bu
,
M.
Vinet
,
M.
Cao
,
S.
Takagi
,
S.
Hwang
,
T.
Ghani
, and
K.
Banerjee
,
Nature
620
,
501
515
(
2023
).
6.
Y.
Liu
,
X.
Duan
,
H.
Shin
,
S.
Park
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nature
591
,
43
53
(
2021
).
7.
G.
Kwon
,
Y.
Choi
,
H.
Lee
,
H.
Kim
,
J.
Jeong
,
K.
Jeong
,
M.
Baik
,
H.
Kwon
,
J.
Ahn
,
E.
Lee
, and
M.
Cho
,
Nat. Electron.
5
,
241
247
(
2022
).
8.
G.
Fiori
,
F.
Bonaccorso
,
G.
Iannaccone
,
T.
Palacios
,
D.
Neumaier
,
A.
Seabaugh
,
S. K.
Banerjee
, and
L.
Colombo
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
768
779
(
2014
).
9.
P.
Xia
,
X.
Feng
,
R. J.
Ng
,
S.
Wang
,
D.
Chi
,
C.
Li
,
Z.
He
,
X.
Liu
, and
K.
Ang
,
Sci. Rep.
7
,
40669
(
2017
).
10.
T.
Chen
,
C.
Chuu
,
C.
Tseng
,
C.
Wen
,
H. P.
Wong
,
S.
Pan
,
R.
Li
,
T.
Chao
,
W.
Chueh
, and
Y.
Zhang
,
Nature
579
,
219
223
(
2020
).
11.
S.
Moon
,
J.
Kim
,
J.
Park
,
S.
Im
,
J.
Kim
,
I.
Hwang
, and
J. K.
Kim
,
Adv. Mater.
35
,
2204161
(
2023
).
12.
K.
Zhang
,
Y.
Feng
,
F.
Wang
,
Z.
Yang
, and
J.
Wang
,
J. Mater. Chem. C.
5
,
11992
12022
(
2017
).
13.
S.
Roy
,
X.
Zhang
,
A. B.
Puthirath
,
A.
Meiyazhagan
,
S.
Bhattacharyya
,
M. M.
Rahman
,
G.
Babu
,
S.
Susarla
,
S. K.
Saju
,
M. K.
Tran
,
L. M.
Sassi
,
M. A. S. R.
Saadi
,
J.
Lai
,
O.
Sahin
,
S. M.
Sajadi
,
B.
Dharmarajan
,
D.
Salpekar
,
N.
Chakingal
,
A.
Baburaj
,
X.
Shuai
,
A.
Adumbumkulath
,
K. A.
Miller
,
J. M.
Gayle
,
A.
Ajnsztajn
,
T.
Prasankumar
,
V. V. J.
Harikrishnan
,
V.
Ojha
,
H.
Kannan
,
A. Z.
Khater
,
Z.
Zhu
,
S.
Ajay Iyengar
,
P. A.
da Silva Autreto
,
E. F.
Oliveira
,
G.
Gao
,
A. G.
Birdwell
,
M. R.
Neupane
,
T. G.
Ivanov
,
J.
Taha‐Tijerina
,
R. M.
Yadav
,
S.
Arepalli
,
R.
Vajtai
, and
P. M.
Ajayan
,
Adv. Mater.
33
,
2101589
(
2021
).
14.
C. R.
Dean
,
A. F.
Young
,
I.
Meric
,
C.
Lee
,
L.
Wang
,
S.
Sorgenfrei
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
P.
Kim
,
K. L.
Shepard
, and
J.
Hone
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
722
726
(
2010
).
15.
C.
Wen
,
A. G.
Banshchikov
,
Y. Y.
Illarionov
,
W.
Frammelsberger
,
T.
Knobloch
,
F.
Hui
,
N. S.
Sokolov
,
T.
Grasser
, and
M.
Lanza
,
Adv. Mater.
32
,
2002525
(
2020
).
16.
R. C.
Ropp
, Newnes,
2012
.
17.
C.
Wen
and
M.
Lanza
,
Appl. Phys. Rev.
8
,
021307
(
2021
).
18.
Y. Y.
Illarionov
,
A. G.
Banshchikov
,
D. K.
Polyushkin
,
S.
Wachter
,
T.
Knobloch
,
M.
Thesberg
,
L.
Mennel
,
M.
Paur
,
M.
Stöger-Pollach
,
A.
Steiger-Thirsfeld
,
M. I.
Vexler
,
M.
Waltl
,
N. S.
Sokolov
,
T.
Mueller
, and
T.
Grasser
,
Nat. Electron.
2
,
230
235
(
2019
).
19.
G.
Lee
,
Y.
Yu
,
X.
Cui
,
N.
Petrone
,
C.
Lee
,
M. S.
Choi
,
D.
Lee
,
C.
Lee
,
W. J.
Yoo
, and
K.
Watanabe
,
ACS Nano
7
,
7931
7936
(
2013
).
20.
D. H.
Anjum
,
IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng.
146
,
012001
(
2016
).
21.
H.
Wang
,
R.
Liu
,
K.
Chen
,
X.
Shi
, and
Z.
Xu
,
Thin Solid Films
519
,
6438
6442
(
2011
).
22.
H.
Song
,
F.
Zhou
,
S.
Yan
,
X.
Su
,
H.
Wu
,
Q.
Wu
,
Y.
Gao
,
R.
Chen
,
T.
Chen
,
J.
Yao
, and
Y.
Shi
,
Nano Lett.
23
,
4983
4990
(
2023
).
23.
A.
Koma
,
K.
Saiki
, and
Y.
Sato
,
Appl. Surf. Sci.
41–42
,
451
456
(
1990
).
24.
D. G.
Purdie
,
N. M.
Pugno
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
A. C.
Ferrari
, and
A.
Lombardo
,
Nat. Commun.
9
,
5387
(
2018
).
25.
Z.
Lu
,
Y.
Chen
,
W.
Dang
,
L.
Kong
,
Q.
Tao
,
L.
Ma
,
D.
Lu
,
L.
Liu
,
W.
Li
,
Z.
Li
,
X.
Liu
,
Y.
Wang
,
X.
Duan
,
L.
Liao
, and
Y.
Liu
,
Nat. Commun.
14
,
2340
(
2023
).
26.
M.
Nakatani
,
S.
Fukamachi
,
P.
Solís-Fernández
,
S.
Honda
,
K.
Kawahara
,
Y.
Tsuji
,
Y.
Sumiya
,
M.
Kuroki
,
K.
Li
, and
Q.
Liu
,
Nat. Electron.
7
,
119
130 1
(
2024
).
27.
J.
Huang
,
Y.
Wan
,
J.
Shi
,
J.
Zhang
,
Z.
Wang
,
W.
Wang
,
N.
Yang
,
Y.
Liu
,
C.
Lin
, and
X.
Guan
,
Nature
605
,
262
267
(
2022
).
28.
L.
Wang
,
P.
Wang
,
J.
Huang
,
B.
Peng
,
C.
Jia
,
Q.
Qian
,
J.
Zhou
,
D.
Xu
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nat. Nanotechnol.
17
,
1206
1213
(
2022
).
29.
F.
Palumbo
,
C.
Wen
,
S.
Lombardo
,
S.
Pazos
,
F.
Aguirre
,
M.
Eizenberg
,
F.
Hui
, and
M.
Lanza
,
Adv. Funct. Mater.
30
,
1900657
(
2020
).
30.
M. M.
Frank
,
S.
Kim
,
S. L.
Brown
,
J.
Bruley
,
M.
Copel
,
M.
Hopstaken
,
M.
Chudzik
, and
V.
Narayanan
,
Microelectron. Eng.
86
,
1603
1608
(
2009
).
31.
Y.
Taur
and
T. H.
Ning
,
Fundamentals of Modern VLSI Devices
(
Cambridge University Press
,
2021
).
32.
A.
Sebastian
,
R.
Pendurthi
,
T. H.
Choudhury
,
J. M.
Redwing
, and
S.
Das
,
Nat. Commun.
12
,
693
(
2021
).
You do not currently have access to this content.