來源：科學之邦

【研究背景】

隨著摩爾定律的推進，傳統(tǒng)基于三維半導體的場效應晶體管（FETs）不斷縮小，這導致了設備性能的提升和晶體管密度的增加。然而，隨著尺寸的進一步縮小，傳統(tǒng)FETs面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括短通道效應、界面缺陷和非均勻靜電控制等問題。為了應對這些挑戰(zhàn)，學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界開始關(guān)注二維（2D）半導體材料的潛力，這些材料具有原子平坦的表面和優(yōu)異的電子特性。在此背景下，研究人員開始探索利用2D材料構(gòu)建3D晶體管結(jié)構(gòu)，特別是垂直2D FinFETs。這種結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的靜電控制和更低的能耗，但傳統(tǒng)基于硅的FinFETs在繼續(xù)縮小尺寸時遇到了困難，如短通道效應和鰭形狀導致的非均勻靜電控制。因此，研究人員開始關(guān)注使用2D半導體構(gòu)建垂直2D FinFETs，以克服這些挑戰(zhàn)。然而，過去的研究主要集中在單鰭FETs上，對于實現(xiàn)高密度集成和更高性能的多鰭FETs仍存在挑戰(zhàn)。因此，本研究的背景是要解決如何在多鰭FETs中實現(xiàn)高密度的2D鰭陣列生長的問題。針對這一挑戰(zhàn)，北京大學化學與分子工程學院教授和課題組長、國家杰出青年科學基金獲得者彭海琳教授、深圳理工大學/中科院深圳先進技術(shù)研究院丁峰教授研究團隊合作并提出了一種搭臺引導外延的方法，可以在各種絕緣基底上生長高密度、單向的2D鰭陣列，從而實現(xiàn)集成2D多鰭FETs。這種方法通過控制核結(jié)合能量和基底對稱性，實現(xiàn)了高密度平行的2D鰭陣列的生長，最小鰭間距可達亞20納米。

二、【研究亮點】

1.本文首次提出了一種 ledge-guided epitaxy 方法，成功在不同絕緣基底上生長了高密度、單向的二維（2D）鰭陣列，用于制造集成的2D多鰭場效應晶體管（FETs）。2.通過此方法，研究人員能夠控制2D Bi2O2Se鰭陣列的成核位置和方向，實現(xiàn)了最小鰭間距為亞20納米的高密度平行2D鰭陣列的生長。3.實驗結(jié)果表明，采用 ledge-guided epitaxy 方法生長的2D Bi2O2Se鰭陣列具有獨特的單向性，且與基底的對稱性無關(guān)，與最近報道的缺陷誘導外延方法有所不同。4.此外，預先創(chuàng)建的對齊臺階有助于降低在臺階邊緣的核結(jié)合能量，進而控制2D鰭陣列的成核位置和方向。5.利用這一方法制備的2D Bi2O2Se鰭陣列被成功集成到多通道2D FinFETs中，并與高介電常數(shù)的天然氧化物Bi2SeO5進行了集成，展現(xiàn)出優(yōu)越的電性能和良好的耐久性，包括低關(guān)態(tài)電流（IOFF）、大通/關(guān)電流比（ION/IOFF）超過106和高通態(tài)電流（ION）。

圖1：垂直2D鰭陣列的搭臺引導外延生長，用于2D多鰭場效應晶體管（FETs）。

圖2. 通過搭臺引導外延生長的垂直2D鰭的結(jié)構(gòu)表征和成核機制。

圖3.在步驟的幫助下，引導生長單向高密度2D鰭陣列，用于2D多鰭FETs。

圖4.基于排列的2D Bi2O2Se-Bi2SeO5鰭氧化物陣列的2D多鰭FinFETs的電性能。

圖5：具有不同數(shù)量鰭的2D FinFETs的電性能比較。

三、【研究結(jié)論】

總的來說，作者開發(fā)了搭臺引導外延作為一種多功能的方法，用于在各種絕緣基底上制備高密度單向的2D Bi2O2Se鰭陣列。作者證明了生長基底的原子級銳利步邊在控制垂直2D Bi2O2Se鰭的成核位置和平面取向中起著至關(guān)重要的作用?；谕庋蛹傻?D Bi2O2Se/Bi2SeO5鰭-氧化物陣列制成的2D多鰭FETs表現(xiàn)出高通態(tài)電流和顯著的器件耐久性，即使在重復測量和高工作溫度下也是如此。通過進一步優(yōu)化通過離子束刻蝕實現(xiàn)的高密度對齊臺階的制備，以及精確控制臺階間距，可以實現(xiàn)有序的更高密度2D Bi2O2Se鰭陣列。這一進步將促進2D多鰭FETs的大規(guī)模集成，從而進一步推動2D晶體管的尺寸縮放。原文詳情：Yu, M., Tan, C., Yin, Y. et al. Integrated 2D multi-fin field-effect transistors. Nat Commun 15, 3622 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47974-2

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審核編輯 黃宇