纳米管封装助力最小纳米线晶体管诞生

【引言】

芯片技术高速集成化使得摩尔定律的发展遭遇到物理法则的限制。7nm之后，构成电路的最基本单元-场效应晶体管的特征尺寸很难进一步减小，沟道中的载流子浓度不能受到栅极电压的有效调控，导致器件的开关性能显著下降。纳米线环栅晶体管为7nm以下晶体管的发展提供了很好解决方案，绝缘材料和金属栅极均匀的包覆在半导体纳米线的四周形成栅极结构，从而使得栅极对沟道的静电控制能力显著增加。该技术的独特之处在在于半导体纳米线结构的形成，业界常用的器件中纳米线沟道是由硅材料制成的，使用自上而下的刻蚀工艺制备，其最小尺寸在10到20纳米之间，因此迫切的需要开发新型材料和结构进一步突破晶体管的尺寸限制。

普渡大学(Purdue University)的Peter Ye研究团队发现一种具有很高载流子迁移率(~1000 cm²/Vs)稀土元素纳米材料碲(Te)，将这种材料封装在氮化硼制成的纳米管中，可以制造直径仅为2nm的场效应晶体管器件。这项研究发表在了《自然-电子学》杂志上，密歇根理工大学(Michigan Technological University)、华盛顿大学圣路易斯分校(Washington University in St. Louis)和德克萨斯大学达拉斯分校(University of Texas at Dallas)合作完成了这项研究。

【成果介绍】

晶体Te具有独特的类似一维DNA螺旋晶体结构，Te原子通过化学键结合形成一维原子链，这些原子链在另外两个维度扩展通过弱范德华力吸引形成晶体。理论上一维DNA形状单原子线是稳定存在的最小单元，但是原子线很容易氧化，不能稳定存在。通过使用碳纳米管作为封装模板，通过控制碳纳米管的内径，可以成功得到了具有不同链数的一维Te原子线，碳纳米管封装对一维Te原子线晶体实现了很好的保护，使其在空气环境中具有很好的稳定性。

纳米线环栅晶体管需要绝缘介电层对半导体纳米线进行包覆，而碳纳米管良好的导电性显然并不适用。研究者们采用具有良好介电性能的氮化硼纳米管作为包覆模板，采用同样的工艺得到了直径为2-10 nm的Te原子线。由于Te优异的载流子迁移特性和氮化硼极高的热导率，Te原子线的电流承载强度达到了惊人的1.5×10⁸ A/cm²，该数值远超过了现有商用的半导体材料。采用这种一维Te原子线制备了内径只有2nm的纳米线场效应晶体管器件，该器件具有优异的电学传输性能，并且通过表面原子层沉积Al₂O₃层，其载流子传输类型能够得到有效的调控。

图 1. 一维Te原子线的晶格表征及晶体管性能

a, 封装在0.8nm碳纳米管中单原子Te原子线的HAADF-STEM 表征; b-e, 单链、双链、三链和19链Te原子线的HRTEM表征; f, Te原子线晶体管示意图; g-h, 器件的开关比、开态电流和载流子迁移率与原子线内径的对应关系

氮化硼封装为尺寸更小的纳米线晶体管器件提供了完美的解决方案，而且这种工艺同样适用于其他具有一维形态半导体纳米材料的封装，为后摩尔时代新型逻辑器件尤其是纳米线环栅晶体管的开发提供了新的思路。

【文献地址】

Jing-Kai Qin, Pai-Ying Liao, Peide Ye. et al. Raman Response and Transport Properties of one-dimensional van der Waals Tellurium Nanowires Encapsulated in Nanotubes. Nature Electronics. DOI: 10.1038/s41928-020-0365-4. Pub Date: 2020-02-10