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將二維半導體和高介電常數柵氧化物，精確地集成到三維垂直結構中，有望開發出超縮放晶體管，但這一過程一直具有挑戰性。

在此，來自北京大學的彭海琳等研究者報道了二維翅片氧化物異質結垂直排列陣列的外延合成，這是一類新的三維結構，其中高遷移率的二維半導體翅片 Bi₂O₂Se 和單晶高-k柵氧化物 Bi₂SeO₅是外延集成的。相關論文以題為“2D fin field-effect transistors integrated with epitaxial high-k gate oxide”于2023年03月22日發表在Nature上。

集成電路技術的發展，依賴于根據摩爾定律縮小互補金屬-氧化物-半導體（CMOS）晶體管的尺寸。作為主要的器件結構，由垂直鰭形通道和高介電常數氧化物構成的硅鰭氧化物異質結構已經推動了CMOS技術尺寸縮小到7納米和5納米技術節點。

在即將到來的亞5納米節點和最終縮放極限下，這種結構具有制造垂直全環柵（VGAA）晶體管或垂直輸運場效應晶體管（VTFETs）的潛力，以進一步提高器件性能、能源效率和集成密度。

然而，在這樣小的通道尺寸下，超薄硅鰭氧化物異質結構中的厚度波動引起的界面散射極大地降低了器件性能。亞5納米厚度的固有極限和不完美的界面阻礙了硅晶體管的可持續縮放。關鍵創新需要探索新材料和具有超薄高遷移率半導體通道和高介電常數介電集成的新結構。

圖1. 集成高 k 柵全氧化物的二維分層翅片陣列

由于其本質上具有自由懸掛和無剩余鍵的特性，高遷移率的二維層狀半導體具有作為超尺寸晶體管中下一代鰭狀通道的巨大潛力，可以實現優秀的靜電門控和高驅動電流。

垂直排列的二維鰭氧化物異質結構由二維層狀半導體鰭組成，其被三面或全方位氧化物電介質包圍（圖1a），對于實現具有高晶體管密度、能量效率和性能的二維FinFETs、VTFETs或VGAA晶體管至關重要，這些是CMOS縮放中的互補組件。

為此，高度精準地將超薄高遷移率的二維半導體鰭和帶有光滑界面的高k門氧化物集成到垂直結構中是非常必要的，但尚未得到證明。

在此，研究者在不同的絕緣襯底上報告了垂直立式的二維鰭氧化物異質結陣列的晶片級外延。超薄的高遷移率二維 Bi?O?Se 鰭與外延單晶二維高介電常數 Bi?SeO? 層完美集成，具有原子級平整的界面（圖1b）。垂直的二維 Bi?O?Se/Bi?SeO? 鰭氧化物異質結構展現出高的縱橫比、良好的取向、可調的厚度和小的間距。

值得注意的是，2D Bi₂O₂Se 鰭厚度可縮小至僅為 1.2 納米或一個單元格尺度。制作的 2D Bi?O?Se/Bi?SeO? FinFETs 表現出高載流子遷移率（μ）高達 270 cm2 V?1 s?1，低的關斷電流密度（I_OFF）約為 1 pA μm?1，高的導通電流（I_ON），高的導通與關斷電流比（I_ON/I_OFF）高達 10?，以及出色的電學耐久性和性能，其潛在性能與基準工業 Si FinFETs 相當，并且符合最新 IRDS 預測的低功耗規格。

圖2. 二維層狀翅片-氧化物外延異質結構的結構角色塑造

圖3. 單向二維翅片氧化物異質結陣列的精細集成

圖4. 二維翅片氧化物異質結構二維 FinFET 的電學性能

綜上所述，研究者所提出的大片二維Bi₂O₂Se鰭陣列與外延單晶高介電常數的Bi₂SeO₅集成，滿足未來先進晶體管的最嚴格要求，包括單向取向、大面積、點選和高密度生長、超高縱橫比、原子級平坦界面、納米尺度的超薄體層、高載流子遷移率和高導通電流密度。

通過進一步優化，以在工業兼容的介電基板（例如CaF₂/Si和MgO / Si）上實現高密度垂直二維鰭氧化物異質結陣列的精確定位生長，可以實現超尺度的二維FinFETs和VGAA FETs，從而推動晶體管的進一步縮小，并延長摩爾定律的適用。

作者簡介

彭海琳，男，博士，北京大學博雅特聘教授、國家杰出青年基金獲得者、中組部萬人計劃領軍人才。從事材料物理化學與納米器件研究，發展了高遷移率二維材料(石墨烯、拓撲絕緣體、金屬氧硫族材料)的制備科學及器件應用研究。

發表SCI論文200余篇(含Science和Nature子刊20余篇)，被引用逾20000次，連續入選”科睿唯安”高被引學者榜單。授權專利50余項和申請專利50余項，撰寫中文專著兩部。近年來在國際及雙邊重要學術會議上做邀請報告60余次，籌劃和組織國際和雙邊會議10余次。

2011年入選教育部新世紀人才支持計劃，2012年獲國家首批優秀青年基金，2012年入選中組部”萬人計劃”首批青年拔尖人才，2014年任國家973計劃青年科學家項目首席科學家，獲2015年國家杰出青年科學基金、2017年Small青年科學家創新獎、2017年MRS Singapore ICON-2DMAT Young Scientist Award、2017年第二十屆茅以升北京青年科技獎、2017年國家自然科學二等獎、2018年教育部青年科學獎、2018年科技部中青年科技創新領軍人才、2018年中組部萬人計劃領軍人才、2021年獲”科學探索獎“。

現任北京大學化學與分子工程學院副院長，兼任北京石墨烯研究院副院長、九三學社北京大學三支社主委、九三學社北京市委科技委副主任、北京市第十一屆青聯委員、中國化學會納米化學專業委員會委員、《科學通報》和《npj 2D Materials and Applications》《Applied Materials Today》《Advanced Materials Interfaces》等編委或顧問編委。

文獻信息

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

原文鏈接：

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

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

原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/10/174c002a47/

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