2D多鰭FETs的高密度集成，搭臺(tái)引導(dǎo)外延的科技突破！

來(lái)源：科學(xué)之邦

【研究背景】

隨著摩爾定律的推進(jìn)，傳統(tǒng)基于三維半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FETs）不斷縮小，這導(dǎo)致了設(shè)備性能的提升和晶體管密度的增加。然而，隨著尺寸的進(jìn)一步縮小，傳統(tǒng)FETs面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括短通道效應(yīng)、界面缺陷和非均勻靜電控制等問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界開(kāi)始關(guān)注二維（2D）半導(dǎo)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(kāi)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(shí)遇到了困難，如短通道效應(yīng)和鰭形狀導(dǎo)致的非均勻靜電控制。因此，研究人員開(kāi)始關(guān)注使用2D半導(dǎo)體構(gòu)建垂直2D FinFETs，以克服這些挑戰(zhàn)。然而，過(guò)去的研究主要集中在單鰭FETs上，對(duì)于實(shí)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(shí)現(xiàn)高密度的2D鰭陣列生長(zhǎng)的問(wèn)題。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授和課題組長(zhǎng)、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者彭海琳教授、深圳理工大學(xué)/中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院丁峰教授研究團(tuán)隊(duì)合作并提出了一種搭臺(tái)引導(dǎo)外延的方法，可以在各種絕緣基底上生長(zhǎng)高密度、單向的2D鰭陣列，從而實(shí)現(xiàn)集成2D多鰭FETs。這種方法通過(guò)控制核結(jié)合能量和基底對(duì)稱(chēng)性，實(shí)現(xiàn)了高密度平行的2D鰭陣列的生長(zhǎng)，最小鰭間距可達(dá)亞20納米。

二、【研究亮點(diǎn)】

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(zhǎng)了高密度、單向的二維（2D）鰭陣列，用于制造集成的2D多鰭場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FETs）。2.通過(guò)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(shí)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(zhǎng)。3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用 ledge-guided epitaxy 方法生長(zhǎng)的2D Bi2O2Se鰭陣列具有獨(dú)特的單向性，且與基底的對(duì)稱(chēng)性無(wú)關(guān)，與最近報(bào)道的缺陷誘導(dǎo)外延方法有所不同。4.此外，預(yù)先創(chuàng)建的對(duì)齊臺(tái)階有助于降低在臺(tái)階邊緣的核結(jié)合能量，進(jìn)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(jìn)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(guò)106和高通態(tài)電流（ION）。

圖1：垂直2D鰭陣列的搭臺(tái)引導(dǎo)外延生長(zhǎng)，用于2D多鰭場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FETs）。

圖2. 通過(guò)搭臺(tái)引導(dǎo)外延生長(zhǎng)的垂直2D鰭的結(jié)構(gòu)表征和成核機(jī)制。

圖3.在步驟的幫助下，引導(dǎo)生長(zhǎng)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(lái)說(shuō)，作者開(kāi)發(fā)了搭臺(tái)引導(dǎo)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(zhǎng)基底的原子級(jí)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(fù)測(cè)量和高工作溫度下也是如此。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化通過(guò)離子束刻蝕實(shí)現(xiàn)的高密度對(duì)齊臺(tái)階的制備，以及精確控制臺(tái)階間距，可以實(shí)現(xiàn)有序的更高密度2D Bi2O2Se鰭陣列。這一進(jìn)步將促進(jìn)2D多鰭FETs的大規(guī)模集成，從而進(jìn)一步推動(dòng)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

【近期會(huì)議】

10月30-31日，由寬禁帶半導(dǎo)體國(guó)家工程研究中心主辦的“化合物半導(dǎo)體先進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用大會(huì)”將首次與大家在江蘇·常州相見(jiàn)，邀您齊聚常州新城希爾頓酒店，解耦產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌?chǎng)布局！https://w.lwc.cn/s/uueAru

11月28-29日，“第二屆半導(dǎo)體先進(jìn)封測(cè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新大會(huì)”將再次與各位相見(jiàn)于廈門(mén)，秉承“延續(xù)去年，創(chuàng)新今年”的思想，仍將由云天半導(dǎo)體與廈門(mén)大學(xué)聯(lián)合主辦，雅時(shí)國(guó)際商訊承辦，邀您齊聚廈門(mén)·海滄融信華邑酒店共探行業(yè)發(fā)展！誠(chéng)邀您報(bào)名參會(huì)：https://w.lwc.cn/s/n6FFne

聲明：本網(wǎng)站部分文章轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)發(fā)僅為更大范圍傳播。 轉(zhuǎn)載文章版權(quán)歸原作者所有，如有異議，請(qǐng)聯(lián)系我們修改或刪除。聯(lián)系郵箱：viviz@actintl.com.hk， 電話(huà)：0755-25988573

審核編輯 黃宇