兩納米超短溝道的壓電電子學晶體管製備成功

由於短溝道效應，Sub-5 nm 硅(Si)基場效應晶體管的製造是非常困難的。隨著溝道長度的減小，CMOS 器件不僅受到小尺寸的製造技術的限制，而且還受到一些基本的物理學原理如漏電場、電介質的擊穿等限制。為了突破5納米節點晶體管的限制，研究人員探索研究了基於碳納米管、半導體納米線以及二維過渡金屬化合物等材料的場效應晶體管，但這些器件的工作仍然依賴於外部柵極電壓的調控機制。如果這種情況不能繼續下去，這可能意味著摩爾定律的終結。

中國科學院外籍院士、中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家王中林於2006年利用氧化鋅納米線受應力時產生的壓電電勢來調控場效應晶體管的載流子輸運特性，即後來所說的壓電電子學晶體管，並且首次提出了壓電電子學的概念。壓電電子學晶體管是一種利用完全不同於傳統 CMOS 器件工作原理的新型器件。這種器件利用金屬-壓電半導體界面處產生的壓電極化電荷(即壓電電勢)作為柵極電壓來調控晶體管中載流子的輸運特性，並且已經在具有纖鋅礦結構的壓電半導體材料中得到了廣泛證實。這種具有二端結構的晶體管不僅創新地利用界面調控替代了傳統的外部溝道調控，並且有可能打破溝道寬度的限制。

近日，在王中林和西安電子科技大學教授秦勇的指導下，王龍飛、劉書海和殷鑫等製備了一種新型的、溝道只有~2 nm 的超薄氧化鋅壓電電子學晶體管，首次將壓電電子學效應引入到二維超薄非層狀壓電半導體材料中。該工作系統地研究了二維超薄氧化鋅垂直方向上的壓電特性，利用金屬-半導體界面處產生的壓電極化電荷（即垂直方向上的壓電電勢）作為柵極電壓有效地調控了該器件的載流子輸運特性，並且通過將兩個超薄壓電電子學晶體管串聯實現了簡易的壓力調控的邏輯電路。這項研究證實了壓電極化電荷在超短溝道中「門控」效應的有效性，該器件不需要外部柵電極或任何其它在納米級長度下具有挑戰性的圖案化工藝設計。這項研究成果開闢了壓電電子學效應在二維非層狀壓電半導體材料的研究，並且在人機界面、能源收集和納米機電系統等領域具有潛在的應用前景。相關研究成果以Ultrathin Piezotronic Transistors with 2 nm Channel Lengths為題發表在ACS Nano上 (DOI: 10.1021/acsnano.8b01957)。

兩納米超短溝道的壓電電子學晶體管製備成功

來源：中國科學院北京納米能源與系統研究所

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