中科院納米技術(shù)與能源研究所： 突破常規(guī)尺寸的晶體管

歸功于電子工業(yè)的飛速發(fā)展，各種處理器芯片尺寸越來越小、功能越來越強(qiáng)、功耗越來越低，目前三星、臺(tái)積電等公司已經(jīng)開始布局7納米工藝芯片。但是，由于短溝道效應(yīng)、漏電場(chǎng)、電介質(zhì)的擊穿等問題的限制，低于5納米的硅晶體管還是很難制備成功。為了突破5納米限制，科學(xué)家們探索研究了基于碳納米管、半導(dǎo)體納米線、二維過渡金屬化合物等材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，但是這些器件的工作仍然需要依賴外部柵極電壓的調(diào)控。如果這種情況不能繼續(xù)下去，這可能意味著摩爾定律的終結(jié)，那么科學(xué)家們有什么新的解決方案呢？

中科院外籍院士、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)、佐治亞理工學(xué)院終身講席教授王中林，在2006年發(fā)現(xiàn)了利用氧化鋅納米線受應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的壓電電勢(shì)來調(diào)控場(chǎng)效應(yīng)晶體管的載流子輸運(yùn)特性，這種晶體管即后來所說的壓電電子學(xué)晶體管。王教授也因此提出了壓電電子學(xué)的概念，為壓電電子學(xué)領(lǐng)域的研究拉開了序幕，并為該領(lǐng)域奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

于是，科學(xué)家們將目光投向了這種新型器件——壓電電子學(xué)晶體管。壓電電子學(xué)晶體管是一種利用*不同于傳統(tǒng) CMOS 器件工作原理的新型器件。這種器件利用金屬-壓電半導(dǎo)體界面處產(chǎn)生的壓電極化電荷（即壓電電勢(shì)），作為柵極電壓來調(diào)控晶體管中載流子的輸運(yùn)特性，目前已經(jīng)在具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的壓電半導(dǎo)體材料中得到了廣泛證實(shí)。這種二端結(jié)構(gòu)的晶體管，不但創(chuàng)新地利用界面調(diào)控替代了傳統(tǒng)的外部溝道調(diào)控，而且還很有可能打破溝道寬度的限制。

日前，在王中林院士與西安電子科技大學(xué)秦勇教授的指導(dǎo)下，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所科研人員王龍飛、劉書海等制備了一種新型的超薄氧化鋅壓電晶體管，將壓電電子學(xué)效應(yīng)引入到二維超薄非層狀壓電半導(dǎo)體材料中。

制備過程是這樣的：科研人員利用電子書曝光技術(shù)在基底材料制備金屬電極，然后將超薄氧化鋅轉(zhuǎn)移到電極上去，后頂層制備一層金屬電極，形成一種金屬/半導(dǎo)體/金屬三明治結(jié)構(gòu)的壓電晶體管。如下圖所示：

 壓電晶體管詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖：(a)具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的超薄氧化鋅結(jié)構(gòu)示意圖；(b)超薄氧化鋅的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；(c)超薄氧化鋅的壓電效應(yīng)；(d)基于二維氧化鋅的超薄壓電電子學(xué)晶體管的示意圖。

那么，這種壓電晶體管是怎么工作的呢？下面這幅圖是壓電電子學(xué)的原理圖，當(dāng)外界施加一個(gè)壓力迫使氧化鋅納米片發(fā)生形變，從而導(dǎo)致內(nèi)部正負(fù)電荷中心不重合，上下表面產(chǎn)生壓電極化電荷（即壓電電勢(shì)）。

壓電電子學(xué)晶體管的工作原理：(a) 超薄氧化鋅壓電電子學(xué)晶體管的側(cè)面示意圖；(b) 不同壓強(qiáng)下超薄壓電晶體管中載流子的輸運(yùn)特性；(c) 壓電電子學(xué)的原理；(d) 超薄氧化鋅壓電電子學(xué)晶體管的電流實(shí)時(shí)測(cè)量。

一般說來，負(fù)壓電極化電荷會(huì)吸引金屬-半導(dǎo)體界面附近的空穴，而導(dǎo)致界面處勢(shì)壘高度降低，而正壓電極化電荷則可以消耗金屬-半導(dǎo)體界面附近的空穴，導(dǎo)致界面處勢(shì)壘高度增加。應(yīng)力誘導(dǎo)的壓電極化電荷的極性造成上下金屬-半導(dǎo)體界面勢(shì)壘高度的反向調(diào)控，從而導(dǎo)致超薄壓電電子學(xué)晶體管的電學(xué)輸運(yùn)的各向異性變化。壓電勢(shì)的大小和極性取決于壓電半導(dǎo)體的晶體取向和應(yīng)力大小和方向。

因此，金屬-半導(dǎo)體界面處的載流子的傳輸可以通過對(duì)外部應(yīng)力的控制來實(shí)現(xiàn)。這便是壓電電子學(xué)晶體管可以通過機(jī)械信號(hào)來作為控制信號(hào)，而無需外加門極電壓的原因，并且通過將兩個(gè)超薄壓電電子學(xué)晶體管串聯(lián)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易的壓力調(diào)控的邏輯電路。

應(yīng)力調(diào)控的壓電電子學(xué)邏輯電路

研究人員通過一種異于常規(guī)的方法開發(fā)出了這種具有?2納米物理溝道的超薄氧化鋅壓電電子學(xué)晶體管，突破了常規(guī)方法制備的晶體管的尺寸極限。將壓電功能和晶體管相結(jié)合，這項(xiàng)研究證實(shí)了壓電極化電荷在超短溝道中“門控”效應(yīng)的有效性，該器件不需要外部柵電極或任何其它在納米級(jí)長(zhǎng)度下具有挑戰(zhàn)性的圖案化工藝設(shè)計(jì)。該項(xiàng)工作為深入理解具有超短溝道的高性能晶體管的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)證明了超薄壓電材料在下一代電子產(chǎn)品中的潛在應(yīng)用前景，為壓電領(lǐng)域?qū)で蟮妮p量化、高能量密度化開辟了新途徑。