北京大学彭海琳教授，重磅Nature！

将二维半导体和高介电常数栅氧化物，精确地集成到三维垂直结构中，有望开发出超缩放晶体管，但这一过程一直具有挑战性。

在此，来自北京大学的彭海琳等研究者报道了二维翅片氧化物异质结垂直排列阵列的外延合成，这是一类新的三维结构，其中高迁移率的二维半导体翅片 Bi₂O₂Se 和单晶高-k栅氧化物 Bi₂SeO₅是外延集成的。相关论文以题为“2D fin field-effect transistors integrated with epitaxial high-k gate oxide”于2023年03月22日发表在Nature上。

集成电路技术的发展，依赖于根据摩尔定律缩小互补金属-氧化物-半导体（CMOS）晶体管的尺寸。作为主要的器件结构，由垂直鳍形通道和高介电常数氧化物构成的硅鳍氧化物异质结构已经推动了CMOS技术尺寸缩小到7纳米和5纳米技术节点。

在即将到来的亚5纳米节点和最终缩放极限下，这种结构具有制造垂直全环栅（VGAA）晶体管或垂直输运场效应晶体管（VTFETs）的潜力，以进一步提高器件性能、能源效率和集成密度。

然而，在这样小的通道尺寸下，超薄硅鳍氧化物异质结构中的厚度波动引起的界面散射极大地降低了器件性能。亚5纳米厚度的固有极限和不完美的界面阻碍了硅晶体管的可持续缩放。关键创新需要探索新材料和具有超薄高迁移率半导体通道和高介电常数介电集成的新结构。

图1. 集成高 k 栅全氧化物的二维分层翅片阵列

由于其本质上具有自由悬挂和无剩余键的特性，高迁移率的二维层状半导体具有作为超尺寸晶体管中下一代鳍状通道的巨大潜力，可以实现优秀的静电门控和高驱动电流。

垂直排列的二维鳍氧化物异质结构由二维层状半导体鳍组成，其被三面或全方位氧化物电介质包围（图1a），对于实现具有高晶体管密度、能量效率和性能的二维FinFETs、VTFETs或VGAA晶体管至关重要，这些是CMOS缩放中的互补组件。

为此，高度精准地将超薄高迁移率的二维半导体鳍和带有光滑界面的高k门氧化物集成到垂直结构中是非常必要的，但尚未得到证明。

在此，研究者在不同的绝缘衬底上报告了垂直立式的二维鳍氧化物异质结阵列的晶片级外延。超薄的高迁移率二维 Bi₂O₂Se 鳍与外延单晶二维高介电常数 Bi₂SeO₅ 层完美集成，具有原子级平整的界面（图1b）。垂直的二维 Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅ 鳍氧化物异质结构展现出高的纵横比、良好的取向、可调的厚度和小的间距。

值得注意的是，2D Bi₂O₂Se 鳍厚度可缩小至仅为 1.2 纳米或一个单元格尺度。制作的 2D Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅ FinFETs 表现出高载流子迁移率（μ）高达 270 cm² V⁻¹ s⁻¹，低的关断电流密度（I_OFF）约为 1 pA μm⁻¹，高的导通电流（I_ON），高的导通与关断电流比（I_ON/I_OFF）高达 10⁸，以及出色的电学耐久性和性能，其潜在性能与基准工业 Si FinFETs 相当，并且符合最新 IRDS 预测的低功耗规格。

图2. 二维层状翅片-氧化物外延异质结构的结构角色塑造

图3. 单向二维翅片氧化物异质结阵列的精细集成

图4. 二维翅片氧化物异质结构二维 FinFET 的电学性能

综上所述，研究者所提出的大片二维Bi₂O₂Se鳍阵列与外延单晶高介电常数的Bi₂SeO₅集成，满足未来先进晶体管的最严格要求，包括单向取向、大面积、点选和高密度生长、超高纵横比、原子级平坦界面、纳米尺度的超薄体层、高载流子迁移率和高导通电流密度。

通过进一步优化，以在工业兼容的介电基板（例如CaF₂/Si和MgO / Si）上实现高密度垂直二维鳍氧化物异质结阵列的精确定位生长，可以实现超尺度的二维FinFETs和VGAA FETs，从而推动晶体管的进一步缩小，并延长摩尔定律的适用。

作者简介

彭海琳，男，博士，北京大学博雅特聘教授、国家杰出青年基金获得者、中组部万人计划领军人才。从事材料物理化学与纳米器件研究，发展了高迁移率二维材料(石墨烯、拓扑绝缘体、金属氧硫族材料)的制备科学及器件应用研究。

发表SCI论文200余篇(含Science和Nature子刊20余篇)，被引用逾20000次，连续入选”科睿唯安”高被引学者榜单。授权专利50余项和申请专利50余项，撰写中文专著两部。近年来在国际及双边重要学术会议上做邀请报告60余次，筹划和组织国际和双边会议10余次。

2011年入选教育部新世纪人才支持计划，2012年获国家首批优秀青年基金，2012年入选中组部”万人计划”首批青年拔尖人才，2014年任国家973计划青年科学家项目首席科学家，获2015年国家杰出青年科学基金、2017年Small青年科学家创新奖、2017年MRS Singapore ICON-2DMAT Young Scientist Award、2017年第二十届茅以升北京青年科技奖、2017年国家自然科学二等奖、2018年教育部青年科学奖、2018年科技部中青年科技创新领军人才、2018年中组部万人计划领军人才、2021年获”科学探索奖“。

现任北京大学化学与分子工程学院副院长，兼任北京石墨烯研究院副院长、九三学社北京大学三支社主委、九三学社北京市委科技委副主任、北京市第十一届青联委员、中国化学会纳米化学专业委员会委员、《科学通报》和《npj 2D Materials and Applications》《Applied Materials Today》《Advanced Materials Interfaces》等编委或顾问编委。

文献信息

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

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05797-z

https://baike.so.com/doc/7305995-7535550.html

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/10/174c002a47/

北京大学彭海琳教授，重磅Nature！

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