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北京大學(xué)彭海琳教授,重磅Nature!

將二維半導(dǎo)體和高介電常數(shù)柵氧化物,精確地集成到三維垂直結(jié)構(gòu)中,有望開(kāi)發(fā)出超縮放晶體管,但這一過(guò)程一直具有挑戰(zhàn)性。
在此,來(lái)自北京大學(xué)的彭海琳等研究者報(bào)道了二維翅片氧化物異質(zhì)結(jié)垂直排列陣列的外延合成,這是一類(lèi)新的三維結(jié)構(gòu),其中高遷移率的二維半導(dǎo)體翅片 Bi2O2Se單晶高-k柵氧化物 Bi2SeO5是外延集成的。相關(guān)論文以題為“2D fin field-effect transistors integrated with epitaxial high-k gate oxide”于2023年03月22日發(fā)表在Nature上。
北京大學(xué)彭海琳教授,重磅Nature!
集成電路技術(shù)的發(fā)展,依賴于根據(jù)摩爾定律縮小互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體(CMOS)晶體管的尺寸。作為主要的器件結(jié)構(gòu),由垂直鰭形通道和高介電常數(shù)氧化物構(gòu)成的硅鰭氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)推動(dòng)了CMOS技術(shù)尺寸縮小到7納米和5納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)。
在即將到來(lái)的亞5納米節(jié)點(diǎn)和最終縮放極限下,這種結(jié)構(gòu)具有制造垂直全環(huán)柵(VGAA)晶體管或垂直輸運(yùn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(VTFETs)的潛力,以進(jìn)一步提高器件性能、能源效率和集成密度。
然而,在這樣小的通道尺寸下,超薄硅鰭氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的厚度波動(dòng)引起的界面散射極大地降低了器件性能。亞5納米厚度的固有極限和不完美的界面阻礙了硅晶體管的可持續(xù)縮放。關(guān)鍵創(chuàng)新需要探索新材料和具有超薄高遷移率半導(dǎo)體通道和高介電常數(shù)介電集成的新結(jié)構(gòu)。
北京大學(xué)彭海琳教授,重磅Nature!
圖1. 集成高 k 柵全氧化物的二維分層翅片陣列
由于其本質(zhì)上具有自由懸掛和無(wú)剩余鍵的特性,高遷移率的二維層狀半導(dǎo)體具有作為超尺寸晶體管中下一代鰭狀通道的巨大潛力,可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的靜電門(mén)控和高驅(qū)動(dòng)電流。
垂直排列的二維鰭氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)由二維層狀半導(dǎo)體鰭組成,其被三面或全方位氧化物電介質(zhì)包圍(圖1a),對(duì)于實(shí)現(xiàn)具有高晶體管密度、能量效率和性能的二維FinFETs、VTFETs或VGAA晶體管至關(guān)重要,這些是CMOS縮放中的互補(bǔ)組件。
為此,高度精準(zhǔn)地將超薄高遷移率的二維半導(dǎo)體鰭和帶有光滑界面的高k門(mén)氧化物集成到垂直結(jié)構(gòu)中是非常必要的,但尚未得到證明。
在此,研究者在不同的絕緣襯底上報(bào)告了垂直立式的二維鰭氧化物異質(zhì)結(jié)陣列的晶片級(jí)外延。超薄的高遷移率二維 Bi?O?Se 鰭與外延單晶二維高介電常數(shù) Bi?SeO? 層完美集成,具有原子級(jí)平整的界面(圖1b)。垂直的二維 Bi?O?Se/Bi?SeO? 鰭氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出高的縱橫比、良好的取向、可調(diào)的厚度和小的間距。
值得注意的是,2D Bi2O2Se 鰭厚度可縮小至僅為 1.2 納米或一個(gè)單元格尺度。制作的 2D Bi?O?Se/Bi?SeO? FinFETs 表現(xiàn)出高載流子遷移率(μ)高達(dá) 270 cm2 V?1 s?1,低的關(guān)斷電流密度(I_OFF)約為 1 pA μm?1,高的導(dǎo)通電流(I_ON),高的導(dǎo)通與關(guān)斷電流比(I_ON/I_OFF)高達(dá) 10?,以及出色的電學(xué)耐久性和性能,其潛在性能與基準(zhǔn)工業(yè) Si FinFETs 相當(dāng),并且符合最新 IRDS 預(yù)測(cè)的低功耗規(guī)格。
北京大學(xué)彭海琳教授,重磅Nature!
圖2. 二維層狀翅片-氧化物外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)角色塑造
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圖3. 單向二維翅片氧化物異質(zhì)結(jié)陣列的精細(xì)集成
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圖4. 二維翅片氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維 FinFET 的電學(xué)性能
綜上所述,研究者所提出的大片二維Bi2O2Se鰭陣列與外延單晶高介電常數(shù)的Bi2SeO5集成,滿足未來(lái)先進(jìn)晶體管的最嚴(yán)格要求,包括單向取向、大面積、點(diǎn)選和高密度生長(zhǎng)、超高縱橫比、原子級(jí)平坦界面、納米尺度的超薄體層、高載流子遷移率和高導(dǎo)通電流密度。
通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化,以在工業(yè)兼容的介電基板(例如CaF2 /Si和MgO / Si)上實(shí)現(xiàn)高密度垂直二維鰭氧化物異質(zhì)結(jié)陣列的精確定位生長(zhǎng),可以實(shí)現(xiàn)超尺度的二維FinFETs和VGAA FETs,從而推動(dòng)晶體管的進(jìn)一步縮小,并延長(zhǎng)摩爾定律的適用。
作者簡(jiǎn)介
北京大學(xué)彭海琳教授,重磅Nature!
彭海琳,男,博士,北京大學(xué)博雅特聘教授、國(guó)家杰出青年基金獲得者、中組部萬(wàn)人計(jì)劃領(lǐng)軍人才。從事材料物理化學(xué)與納米器件研究,發(fā)展了高遷移率二維材料(石墨烯、拓?fù)浣^緣體、金屬氧硫族材料)的制備科學(xué)及器件應(yīng)用研究。
發(fā)表SCI論文200余篇(含Science和Nature子刊20余篇),被引用逾20000次,連續(xù)入選”科睿唯安”高被引學(xué)者榜單。授權(quán)專(zhuān)利50余項(xiàng)和申請(qǐng)專(zhuān)利50余項(xiàng),撰寫(xiě)中文專(zhuān)著兩部。近年來(lái)在國(guó)際及雙邊重要學(xué)術(shù)會(huì)議上做邀請(qǐng)報(bào)告60余次,籌劃和組織國(guó)際和雙邊會(huì)議10余次。
2011年入選教育部新世紀(jì)人才支持計(jì)劃,2012年獲國(guó)家首批優(yōu)秀青年基金,2012年入選中組部”萬(wàn)人計(jì)劃”首批青年拔尖人才,2014年任國(guó)家973計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目首席科學(xué)家,獲2015年國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、2017年Small青年科學(xué)家創(chuàng)新獎(jiǎng)、2017年MRS Singapore ICON-2DMAT Young Scientist Award、2017年第二十屆茅以升北京青年科技獎(jiǎng)、2017年國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、2018年教育部青年科學(xué)獎(jiǎng)、2018年科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、2018年中組部萬(wàn)人計(jì)劃領(lǐng)軍人才、2021年獲”科學(xué)探索獎(jiǎng)“。
現(xiàn)任北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院副院長(zhǎng),兼任北京石墨烯研究院副院長(zhǎng)、九三學(xué)社北京大學(xué)三支社主委、九三學(xué)社北京市委科技委副主任、北京市第十一屆青聯(lián)委員、中國(guó)化學(xué)會(huì)納米化學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、《科學(xué)通報(bào)》和《npj 2D Materials and Applications》《Applied Materials Today》《Advanced Materials Interfaces》等編委或顧問(wèn)編委。
文獻(xiàn)信息
an, C., Yu, M., Tang, J.?et al.?2D fin field-effect transistors integrated with epitaxial high-k?gate oxide.?Nature?(2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05797-z
原文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05797-z
https://baike.so.com/doc/7305995-7535550.html

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