中科院北京纳米能源所王中林团队：超短沟道的压电电子学晶体管

【引言】

由于短沟道效应，Sub-5 nm硅(Si)场效应晶体管的制造是非常困难的。随着沟道长度的减小，CMOS器件不仅受到小尺寸的制造技术的限制，而且还受到一些基本的物理学原理如漏电场，电介质的击穿等限制。为了突破5纳米节点的限制，研究人员探索研究了基于碳纳米管、半导体纳米线以及二维过渡金属化合物等材料的场效应晶体管，但这些器件的工作仍然依赖于外部栅极电压的调控机制。如果这种情况不能继续下去，这可能意味着摩尔定律的终结。压电电子学晶体管是一种利用完全不同于上述工作原理的新型器件。这种器件利用金属-压电半导体界面处产生的压电极化电荷(即压电电势)作为栅极电压来调控晶体管中载流子的输运特性，并且已经在具有纤锌矿结构的压电半导体材料中得到了广泛证实。这种二端结构的晶体管不仅创新地利用界面调控替代了传统的外部沟道调控，并且有可能打破沟道宽度的限制。

【成果简介】

近日，在中科院北京纳米能源与系统研究所所长，佐治亚理工学院校董教授王中林院士和西安电子科技大学秦勇教授的指导下，王龙飞博士、刘书海和殷鑫博士等研究成员制备了一种新型的、沟道只有2 nm的超薄氧化锌压电电子学晶体管，首次将压电电子学效应引入到二维超薄非层状压电半导体材料中。该工作系统地研究了二维超薄氧化锌垂直方向上的压电特性，利用金属-半导体界面处产生的压电极化电荷（即垂直方向上的压电电势）作为栅极电压有效地调控了该器件的载流子输运特性，并且通过将两个超薄压电电子学晶体管串联实现了简易的压力调控的逻辑电路。这项研究证实了压电极化电荷在超短沟道中“门控”效应的有效性，该器件不需要外部栅电极或任何其它在纳米级长度下具有挑战性的图案化工艺设计。这项研究成果开辟了压电电子学效应在二维非层状压电半导体材料的研究，并且在人机界面、能源收集和纳米机电系统等领域具有潜在的应用前景。相关研究成果以  “Ultrathin Piezotronic Transistors with 2 nm Channel Lengths”发表在ACS Nano上。

【图文导读】

图1基于二维氧化锌的超薄压电电子学晶体管

(a) 具有纤锌矿结构的超薄氧化锌结构示意图

(b) 超薄氧化锌的侧面结构示意图

(c) 超薄氧化锌的压电效应

(d) 基于二维氧化锌的超薄压电电子学晶体管的示意图

图2 二维超薄氧化锌的形貌、电学特性和压电特性的表征

(a) 超薄氧化锌的AFM扫描图像

(b)  HRTEM图像

(c) 超薄氧化锌的电学特性

(d-j) 超薄氧化锌的压电特性

图3 超薄氧化锌压电电子学晶体管的电学输运特性

(a) 超薄氧化锌压电电子学晶体管的侧面示意图

(b) 不同压强下超薄压电晶体管中载流子的输运特性

(c) 压电电子学的原理

(d) 超薄氧化锌压电电子学晶体管的电流实时测量

图4 压力调控的OR逻辑电路

(a-d) 单独施加一个力以及对应输出电流的状态

(e-f) 同时施加两个力以及对应输出电流的状态

【小结】

研究团队成功制备了超短沟道的氧化锌压电电子学晶体管，首次证实了压电电子学效应在超短沟道中的有效性，为新型压电电子学晶体管的研究提供了思路，拓宽了压电电子学的研究领域，同时也开辟了二维非层状压电材料的压电特性的研究。这项研究成果在智能皮肤、人机界面和纳米机电系统等领域具有潜在的广阔应用前景。

文献链接：Ultrathin Piezotronic Transistors with 2 nm Channel Lengths (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b01957)

本文由材料人电子电工学术组李小依供稿，材料牛整理编辑。

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