中科院納米技術與能源研究所： 突破常規尺寸的(de)晶體管

中科院納米技術與能源研究所： 突破常規尺寸的(de)晶體管

歸功于電子工業的(de)飛(fēi)速發展，各種處理(lǐ)器芯片尺寸越來(lái)越小、功能越來(lái)越強、功耗越來(lái)越低，目前三星、台積電等公司已經開始布局7納米工藝芯片。但是，由于短溝道效應、漏電場(chǎng)、電介質的(de)擊穿等問題的(de)限制，低于5納米的(de)矽晶體管還(hái)是很難制備成功。爲了(le)突破5納米限制，科學家們探索研究了(le)基于碳納米管、半導體納米線、二維過渡金屬化(huà)合物(wù)等材料的(de)場(chǎng)效應晶體管，但是這(zhè)些器件的(de)工作仍然需要依賴外部栅極電壓的(de)調控。如果這(zhè)種情況不能繼續下(xià)去，這(zhè)可(kě)能意味著(zhe)摩爾定律的(de)終結，那麽科學家們有什(shén)麽新的(de)解決方案呢(ne)？

中科院外籍院士、中科院北(běi)京納米能源與系統研究所所長(cháng)、佐治亞理(lǐ)工學院終身講席教授王中林(lín)，在2006年發現了(le)利用(yòng)氧化(huà)鋅納米線受應力時(shí)産生的(de)壓電電勢來(lái)調控場(chǎng)效應晶體管的(de)載流子輸運特性，這(zhè)種晶體管即後來(lái)所說的(de)壓電電子學晶體管。王教授也(yě)因此提出了(le)壓電電子學的(de)概念，爲壓電電子學領域的(de)研究拉開了(le)序幕，并爲該領域奠定了(le)堅實的(de)理(lǐ)論基礎。

于是，科學家們将目光(guāng)投向了(le)這(zhè)種新型器件——壓電電子學晶體管。壓電電子學晶體管是一種利用(yòng)*不同于傳統 CMOS 器件工作原理(lǐ)的(de)新型器件。這(zhè)種器件利用(yòng)金屬-壓電半導體界面處産生的(de)壓電極化(huà)電荷（即壓電電勢），作爲栅極電壓來(lái)調控晶體管中載流子的(de)輸運特性，目前已經在具有纖鋅礦結構的(de)壓電半導體材料中得(de)到了(le)廣泛證實。這(zhè)種二端結構的(de)晶體管，不但創新地利用(yòng)界面調控替代了(le)傳統的(de)外部溝道調控，而且還(hái)很有可(kě)能打破溝道寬度的(de)限制。

日前，在王中林(lín)院士與西安電子科技大(dà)學秦勇教授的(de)指導下(xià)，中科院北(běi)京納米能源與系統研究所科研人(rén)員(yuán)王龍飛(fēi)、劉書(shū)海等制備了(le)一種新型的(de)超薄氧化(huà)鋅壓電晶體管，将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。

制備過程是這(zhè)樣的(de)：科研人(rén)員(yuán)利用(yòng)電子書(shū)曝光(guāng)技術在基底材料制備金屬電極，然後将超薄氧化(huà)鋅轉移到電極上去，後頂層制備一層金屬電極，形成一種金屬/半導體/金屬三明(míng)治結構的(de)壓電晶體管。如下(xià)圖所示：

 壓電晶體管詳細結構圖：(a)具有纖鋅礦結構的(de)超薄氧化(huà)鋅結構示意圖；(b)超薄氧化(huà)鋅的(de)側面結構示意圖；(c)超薄氧化(huà)鋅的(de)壓電效應；(d)基于二維氧化(huà)鋅的(de)超薄壓電電子學晶體管的(de)示意圖。

那麽，這(zhè)種壓電晶體管是怎麽工作的(de)呢(ne)？下(xià)面這(zhè)幅圖是壓電電子學的(de)原理(lǐ)圖，當外界施加一個(gè)壓力迫使氧化(huà)鋅納米片發生形變，從而導緻内部正負電荷中心不重合，上下(xià)表面産生壓電極化(huà)電荷（即壓電電勢）。

壓電電子學晶體管的(de)工作原理(lǐ)：(a) 超薄氧化(huà)鋅壓電電子學晶體管的(de)側面示意圖；(b) 不同壓強下(xià)超薄壓電晶體管中載流子的(de)輸運特性；(c) 壓電電子學的(de)原理(lǐ)；(d) 超薄氧化(huà)鋅壓電電子學晶體管的(de)電流實時(shí)測量。

一般說來(lái)，負壓電極化(huà)電荷會吸引金屬-半導體界面附近的(de)空穴，而導緻界面處勢壘高(gāo)度降低，而正壓電極化(huà)電荷則可(kě)以消耗金屬-半導體界面附近的(de)空穴，導緻界面處勢壘高(gāo)度增加。應力誘導的(de)壓電極化(huà)電荷的(de)極性造成上下(xià)金屬-半導體界面勢壘高(gāo)度的(de)反向調控，從而導緻超薄壓電電子學晶體管的(de)電學輸運的(de)各向異性變化(huà)。壓電勢的(de)大(dà)小和(hé)極性取決于壓電半導體的(de)晶體取向和(hé)應力大(dà)小和(hé)方向。

因此，金屬-半導體界面處的(de)載流子的(de)傳輸可(kě)以通(tōng)過對(duì)外部應力的(de)控制來(lái)實現。這(zhè)便是壓電電子學晶體管可(kě)以通(tōng)過機械信号來(lái)作爲控制信号，而無需外加門極電壓的(de)原因，并且通(tōng)過将兩個(gè)超薄壓電電子學晶體管串聯實現了(le)簡易的(de)壓力調控的(de)邏輯電路。

應力調控的(de)壓電電子學邏輯電路

研究人(rén)員(yuán)通(tōng)過一種異于常規的(de)方法開發出了(le)這(zhè)種具有〜2納米物(wù)理(lǐ)溝道的(de)超薄氧化(huà)鋅壓電電子學晶體管，突破了(le)常規方法制備的(de)晶體管的(de)尺寸極限。将壓電功能和(hé)晶體管相結合，這(zhè)項研究證實了(le)壓電極化(huà)電荷在超短溝道中“門控”效應的(de)有效性，該器件不需要外部栅電極或任何其它在納米級長(cháng)度下(xià)具有挑戰性的(de)圖案化(huà)工藝設計。該項工作爲深入理(lǐ)解具有超短溝道的(de)高(gāo)性能晶體管的(de)開發奠定了(le)基礎，同時(shí)證明(míng)了(le)超薄壓電材料在下(xià)一代電子産品中的(de)潛在應用(yòng)前景，爲壓電領域尋求的(de)輕量化(huà)、高(gāo)能量密度化(huà)開辟了(le)新途徑。