相對于傳統(tǒng)的體硅半導(dǎo)體材料，近年來具有原子尺度的低維材料得到了快速發(fā)展，碳納米管、二維原子晶體等新材料不斷被嘗試用于構(gòu)建晶體管的溝道材料或電極材料。近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心科研人員與國內(nèi)外多家單位合作，首次演示了可陣列化、垂直單原子層溝道的鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）（圖1），在《自然-通訊》(Nature Communications) 在線發(fā)表題為《單原子層溝道的鰭式場效應(yīng)晶體管》（A FinFET with one atomic layer channel）的研究論文。

研究人員設(shè)計(jì)了高~300nm的硅晶體臺階模板，通過濕法噴涂化學(xué)氣相沉積（CVD）方法，實(shí)現(xiàn)了與臺階側(cè)壁共形生長的過渡族金屬硫化物單原子層晶體（MoS2、WS2等）。通過采用多重刻蝕等微納加工工藝（圖2），制備出以單層極限二維材料作為半導(dǎo)體溝道的鰭式場效應(yīng)晶體管，同時成功制備出鰭式場效應(yīng)晶體管陣列（圖3）。除此之外，嘗試了引入碳納米管替代傳統(tǒng)金屬作為柵極材料，結(jié)果顯示該材料比傳統(tǒng)金屬柵具有更好的包覆性，可以有效提高器件性能。通過對數(shù)百個晶體管器件統(tǒng)計(jì)測量，測得電流開關(guān)比達(dá)107，亞閾值擺幅達(dá)300mV/dec（圖4a-d）。理論計(jì)算表明，所提出的鰭式場效應(yīng)晶體管能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的抗短溝道效應(yīng)，如漏端引入的勢壘降低（DIBL）可以低至5mV/V（圖4e-f）。

該項(xiàng)工作將FinFET的溝道材料寬度減小至單原子層極限的亞納米尺度（0.6 nm）（圖5），同時，獲得了最小間距為50 nm的單原子層溝道鰭陣列，該研究工作為后摩爾時代的場效應(yīng)晶體管器件的發(fā)展提供了新方案。

該工作由金屬所與湖南大學(xué)、山西大學(xué)、中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心、法國原子能總署等單位合作完成。金屬所韓拯、孫東明課題組主導(dǎo)了該研究項(xiàng)目工作，承擔(dān)器件制備與表征；湖南大學(xué)劉松課題組負(fù)責(zé)CVD生長；山西大學(xué)博士董寶娟承擔(dān)有限元模擬工作；蘇州納米所邱松課題組提供了制備柵極材料的碳納米管溶液；強(qiáng)磁場中心杜海峰課題組主導(dǎo)了相關(guān)透射電鏡樣品的制備與表征。陳茂林、孫興丹、劉航（湖南大學(xué)）為共同第一作者，韓拯、孫東明、劉松、董寶娟為共同通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院、沈陽材料科學(xué)國家研究中心、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年項(xiàng)目、青年千人計(jì)劃等支持。

圖1：單原子層溝道的鰭式場效應(yīng)晶體管。a)硅工藝FinFET的溝道材料、垂直二維原子晶體與單根碳納米管尺寸對比示意圖。b) 器件結(jié)構(gòu)示意圖。插圖為截面示意圖。c) 臺階共形生長的單層二維過渡族金屬硫化合物示意圖。d-e) 臺階模板掃描電鏡照片，其中標(biāo)尺分別為100 納米（左）和1微米（右）。

圖2: 器件工藝流程及掃描電鏡照片

圖3: 可陣列化的單原子層鰭式晶體管形貌圖（陣列最小間距為50納米）

圖4: a)-d) 單原子層鰭式場效應(yīng)晶體管的電學(xué)性能；e)-f) 有限元計(jì)算模擬

圖5: a) MOSFET場效應(yīng)晶體管的幾種構(gòu)型；b) FinFE器件鰭寬的發(fā)展歷程

文章來源：中國科學(xué)院金屬研究所

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