鳍式場效應晶體管（FinFET）技術将矽基溝道和栅極制備成類似于魚鳍（Fin）的垂直薄片結構，于2011年實現了集成電路商業化量産，突破了芯片22納米制程工藝。自此，垂直鳍片溝道架構主導了現代晶體管微縮制程工藝，也是當前最先進的商用3納米芯片制程的主流架構。當前3納米制程的矽基鳍式晶體管（FinFET）的最小鳍片厚度約5納米，已經趨近物理極限，矽基材料在芯片尺寸微縮極限下将面臨短溝道效應等關鍵挑戰，亟需芯片關鍵材料及其三維異質集成技術的創新。
開發高遷移率二維半導體鳍片/高介電常數(κ)栅介質集成型鳍式晶體管，有望突破傳統矽基晶體管物理極限，尤其是在實現亞1納米鳍片溝道厚度與原子級平整界面方面具有獨特的優勢，從而展現出優異的器件性能與高密度集成潛力。然而，為了實現優異的二維鳍片器件性能與高集成度，通常需要高κ栅介質集成型多鳍片陣列的可控制備，這在二維鳍式晶體管中仍屬挑戰。
針對這一難題，beat365官方网站彭海琳課題組與深圳先進技術研究院丁峰課題組合作，發展了一種基底台階誘導二維半導體鳍片定點、定向、垂直外延生長的方法，實現了單一取向二維鳍片陣列的表界面控制制備，并研制了高性能高κ栅介質集成型多通道二維鳍式晶體管，證明了二維鳍式晶體管的集成潛力。研究成果以“Integrated 2D multi-finfield-effect transistors”為題，于2024年4月29日，發表在《自然-通訊》（Nature Communications）期刊上（Nature Commun. 2024,15,3622）。
近年來，beat365官方网站彭海琳課題組主要從事二維材料物理化學與納米器件研究，緻力于高遷移率二維材料（石墨烯、拓撲絕緣體、氧硫族半導體）的控制合成、界面調控和器件應用研究。在國際上率先開發了高遷移率二維半導體（Bi2O2Se）及其高κ自然氧化物栅介質Bi2SeO5材料體系（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nature Electron. 2020, 3, 473; Nature Electron. 2022, 5, 643; Nature Mater. 2023, 22, 832），構築了高速低功耗電子器件、量子輸運器件、超快高敏紅外光探測及高敏氣體傳感器（Nature Commun. 2018, 9, 3311; Science Adv. 2018, 4, eaat8355; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2726; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 17938; Acc. Mater. Res. 2021, 2, 842），并基于二維Bi2O2Se/Bi2SeO5創制了世界首例高κ栅介質集成型二維鳍式晶體管（Nature. 2023,616,66）。
最近，彭海琳課題組基于高遷移率二維半導體Bi2O2Se垂直鳍片陣列的外延生長方法，進一步開發了一種台階誘導的選擇性成核垂直外延方法，通過在絕緣襯底表面（LAO（100）晶面，CaF2（110）晶面，以及MgO（110）晶面）人為地制造平行台階，誘導二維Bi2O2Se鳍片在台階處優先成核，同時控制二維鳍片的取向與成核位點，制備了單一取向二維Bi2O2Se鳍片陣列。并利用可控插層氧化技術，實現了單一取向二維Bi2O2Se鳍片陣列與高κ自氧化物Bi2SeO5的三維異質外延集成。值得注意的是，通過提高台階密度，可實現高密度二維鳍片陣列制備，鳍片最小間距可達~20nm。
圖1. 單一取向二維Bi2O2Se鳍片陣列的台階誘導外延。（a）在台階處成核的二維鳍片示意圖；（b）台階誘導外延生長的單一取向二維Bi2O2Se鳍片陣列的傾角掃描電鏡圖像；（c-e）不同襯底上台階誘導外延生長的高密度二維Bi2O2Se鳍片陣列的掃描電鏡圖像；（f）不同襯底上不同陣列中最小鳍片間距統計。
高密度、單一取向的高κ自氧化物Bi2SeO5集成型二維鳍片陣列的外延集成，為具有高驅動能力的多通道二維鳍式晶體管的開發奠定了材料基礎。研究團隊基于外延二維Bi2O2Se/Bi2SeO5異質結陣列，研制了高性能多通道二維鳍式晶體管。晶體管具有優異的電學性能，遷移率高達267cm2V-1s-1，關态電流小于0.01nA，開關比大于106。随着器件中鳍片數量的增加，晶體管的驅動能力也逐漸提升，表現出更大的開态電流和跨導，其中基于五個鳍片的晶體管開态電流高達1mA。高開态電流決定了多通道二維鳍式晶體管具有低至30ps的延遲時間。
圖2. 多通道二維鳍式晶體管電學性能。（a）三通道二維鳍式晶體管掃描電鏡圖像；（b）圖a中器件的輸出特性曲線；（c）圖a中器件的轉移特性曲線；（d）基于不同數量鳍片構築的二維鳍式晶體管開态電流與跨導比較；（e）多通道二維鳍式晶體管與其他晶體管的延遲時間比較。
高κ自氧化物Bi2SeO5集成型多通道二維鳍式晶體管的優異電學性能證明了二維Bi2O2Se鳍片陣列可協同工作，具有通過多鳍片集成實現複雜邏輯運算的潛力。未來随着台階制造方法的進一步優化與台階間距的精确控制，規則排列的高密度二維Bi2O2Se鳍片陣列有望為二維鳍式晶體管（2D FinFET）及二維垂直圍栅器件（2D VGAA）的大面積集成提供材料基礎，在未來高算力低功耗微納電子器件的發展中具有重要意義。
該研究成果以“集成型多通道二維鳍式晶體管”（Integrated 2D multi-finfield-effecttransistors）為題，近日發表于Nature Communications。beat365官方网站彭海琳教授、深圳先進技術研究院丁峰教授是該論文的共同通訊作者，beat365官方网站博士研究生于夢詩、BMSFellow博士後譚聰偉、深圳先進技術研究院博士後尹玉玲是共同第一作者。
該研究成果得到國家自然科學基金委、科技部、北京分子科學國家研究中心、新基石基金會、北京分子科學國家研究中心博士後項目等機構和項目的資助，并得到了beat365官方网站的分子材料與納米加工實驗室（MMNL）儀器平台的支持。
論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47974-2
排版：高楊
審核：李玲，高珍
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