北京大学化学学院彭海琳课题组与合作者在集成型多通道二维鳍式晶体管研究中取得进展

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鳍式场效应晶体管(FinFET)技术将硅基沟道和栅极制备成类似于鱼鳍(Fin)的垂直薄片结构,于2011年实现了集成电路商业化量产,突破了芯片22纳米制程工艺。自此,垂直鳍片沟道架构主导了现代晶体管微缩制程工艺,也是当前最先进的商用3纳米芯片制程的主流架构。当前3纳米制程的硅基鳍式晶体管(FinFET)的最小鳍片厚度约5纳米,已经趋近物理极限,硅基材料在芯片尺寸微缩极限下将面临短沟道效应等关键挑战,亟需芯片关键材料及其三维异质集成技术的创新。

开发高迁移率二维半导体鳍片/高介电常数(κ)栅介质集成型鳍式晶体管,有望突破传统硅基晶体管物理极限,尤其是在实现亚1纳米鳍片沟道厚度与原子级平整界面方面具有独特的优势,从而展现出优异的器件性能与高密度集成潜力。然而,为了实现优异的二维鳍片器件性能与高集成度,通常需要高κ栅介质集成型多鳍片阵列的可控制备,这在二维鳍式晶体管中仍属挑战。

针对这一难题,北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授课题组与深圳先进技术研究院丁峰教授课题组合作,发展了一种基底台阶诱导二维半导体鳍片定点、定向、垂直外延生长的方法,实现了单一取向二维鳍片阵列的表界面控制制备,并研制了高性能高κ栅介质集成型多通道二维鳍式晶体管,证明了二维鳍式晶体管的集成潜力。研究成果以“Integrated2Dmulti-finfield-effecttransistors”为题,于2024年4月29日,发表在《自然-通讯》(Nature Communications)期刊上(Nature Commun.2024,15,3622)。

近年来,北京大学化学与分子工程学院彭海琳课题组主要从事二维材料物理化学与纳米器件研究,致力于高迁移率二维材料(石墨烯、拓扑绝缘体、氧硫族半导体)的控制合成、界面调控和器件应用研究。在国际上率先开发了高迁移率二维半导体(Bi2O2Se)及其高κ自然氧化物栅介质Bi2SeO5材料体系,构筑了高速低功耗电子器件、量子输运器件、超快高敏红外光探测及高敏气体传感器,并基于二维Bi2O2Se/Bi2SeO5创制了世界首例高κ栅介质集成型二维鳍式晶体管(Nature2023,616,66)。

最近,彭海琳课题组基于高迁移率二维半导体Bi/n2/nO/n2/nSe垂直鳍片阵列的外延生长方法,进一步开发了一种台阶诱导的选择性成核垂直外延方法,通过在绝缘衬底表面(LAO(100)晶面,CaF2(110)晶面,以及MgO(110)晶面)人为地制造平行台阶,诱导二维Bi2O2Se鳍片在台阶处优先成核,同时控制二维鳍片的取向与成核位点,制备了单一取向二维Bi2O2Se鳍片阵列。并利用可控插层氧化技术,实现了单一取向二维Bi2O2Se鳍片阵列与高κ自氧化物Bi2SeO5的三维异质外延集成。值得注意的是,通过提高台阶密度,可实现高密度二维鳍片阵列制备,鳍片最小间距可达~20nm。

图1. 单一取向二维Bi2O2Se鳍片阵列的台阶诱导外延。(a)在台阶处成核的二维鳍片示意图;(b)台阶诱导外延生长的单一取向二维Bi2O2Se鳍片阵列的倾角扫描电镜图像;(c-e)不同衬底上台阶诱导外延生长的高密度二维Bi2O2Se鳍片阵列的扫描电镜图像;(f)不同衬底上不同阵列中最小鳍片间距统计

高密度、单一取向的高κ自氧化物Bi2SeO5集成型二维鳍片阵列的外延集成,为具有高驱动能力的多通道二维鳍式晶体管的开发奠定了材料基础。研究团队基于外延二维Bi2O2Se/Bi2SeO5异质结阵列,研制了高性能多通道二维鳍式晶体管。晶体管具有优异的电学性能,迁移率高达267cm2V-1s-1,关态电流小于0.01nA,开关比大于106。随着器件中鳍片数量的增加,晶体管的驱动能力也逐渐提升,表现出更大的开态电流和跨导,其中基于五个鳍片的晶体管开态电流高达1mA。高开态电流决定了多通道二维鳍式晶体管具有低至30ps的延迟时间。

图2. 多通道二维鳍式晶体管电学性能。(a)三通道二维鳍式晶体管扫描电镜图像;(b)图a中器件的输出特性曲线;(c)图a中器件的转移特性曲线;(d)基于不同数量鳍片构筑的二维鳍式晶体管开态电流与跨导比较;(e)多通道二维鳍式晶体管与其他晶体管的延迟时间比较

高κ自氧化物Bi2SeO5集成型多通道二维鳍式晶体管的优异电学性能证明了二维Bi2O2Se鳍片阵列可协同工作,具有通过多鳍片集成实现复杂逻辑运算的潜力。未来随着台阶制造方法的进一步优化与台阶间距的精确控制,规则排列的高密度二维Bi2O2Se鳍片阵列有望为二维鳍式晶体管(2DFinFET)及二维垂直围栅器件(2DVGAA)的大面积集成提供材料基础,在未来高算力低功耗微纳电子器件的发展中具有重要意义。

该研究成果以《集成型多通道二维鳍式晶体管》(“Integrated2Dmulti-finfield-effecttransistors”)为题,近日发表于Nature Communications。彭海琳、丁峰是该论文的共同通讯作者,北京大学化学与分子工程学院博士研究生于梦诗、BMSFellow博士后谭聪伟、深圳先进技术研究院博士后尹玉玲是共同第一作者。

该研究成果得到国家自然科学基金委、科技部、北京分子科学国家研究中心、新基石基金会、北京分子科学国家研究中心博士后项目等机构和项目的资助,并得到了北京大学化学与分子工程学院的分子材料与纳米加工实验室(MMNL)仪器平台的支持。

责编: 爱集微
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