【48812】从0到1！外延高κ栅介质集成型二维鳍式晶体管

时间: 2024-08-06 02:41:16 |   作者: Kaiyun最新官网_产品类型

　　该研讨报导了一种全新二维半导体笔直鳍片/高介电自氧化物外延集成架构（2D fin/oxide Bi），并研发了高功能二维鳍式场效应晶体管（2D FinFET）。二维半导体鳍片/自氧化物外延异质结构具有原子级平坦界面和超薄的鳍片厚度（可达一个单胞厚度，～1.2 nm），并完成了晶圆级单一定向阵列制备以及定点、高密度成长。根据Bi/Vs的电子迁移率、极低的关态电流（～1 pA/m）和很高的开/关态电流比（10），沟道长度为400 nm时开态电流密度高达830 A/m，满意世界器材与系统道路年低功耗器材方针要求。该原创性作业打破了后摩尔年代高速低功耗芯片的要害新资料与新架构三维异质集成瓶颈，为开发打破硅基晶体管极限的未来芯片技能带来新机遇。

　　论文通讯作者是彭海琳教授，并列第一作者是谭聪伟、于梦诗、唐浚川、高啸寅。

　　晶体管作为芯片的中心元器材，经过尺度微缩、资料多功能集成和架构优化等方法，逐渐的提高芯片集成度，从而提高能效和算力。摩尔定律的推进下，现在传统硅基芯片已成功迭代至5 nm制程节点。跟着集成电路制程向亚3纳米技能节点跨进，芯片尺度微缩迫临硅基资料物理极限，短沟道效应和热效应日趋明显，新资料、新架构和新器材的探究与研讨火烧眉毛。

　　一代制程，一代资料，一代架构。集成电路曩昔70多年开展中，高迁移率应变硅的使用、高介电常数（）氧化物和半导体沟道的异质集成、笔直鳍片架构的开发都为推进现代芯片工业高质量开展做出了划年代的奉献。后摩尔年代，高迁移率二维半导体因其表面无悬挂键、原子级厚度和高迁移率等特性，可完成超卓的栅控和高驱动电流，按捺短沟道效应，因而被作为“后硅”连续年代晶体管尺度微缩的重要资料之一。笔直鳍片（Fin）架构经过添加沟道栅控面积，协同高氧化物与鳍片沟道异质集成，大大增强器材栅控才能，按捺短沟道效应，并下降亚阈值漏电流，进一步打破芯片算力、能效和集成瓶颈。以笔直鳍片（Fin）硅基沟道架构和三栅极环绕结构的鳍式场效应晶体管（FinFET）技能在2011年商业化量产于22 nm制程工艺，主导了现代晶体管微缩制程工艺，也是当时最先进的商用5 nm制程集成电路的干流沟道架构。

　　工艺技能节点进入亚3 nm今后，笔直鳍片沟道架构的新器材开发仍十分重视，人们正在考虑制作根据笔直鳍式结构开发笔直围栅器材（VGAA）或笔直传输场效应晶体管（VTFET），以满意“后摩尔年代”芯片的更高集成度、高功能和低功耗开展要求，世界闻名集成电路制作龙头公司IBM和三星已进行有关研发。由此，完成全新架构高迁移率二维层状半导体笔直鳍片/高介电（）氧化物异质结的异质集成，开发二维鳍式场效应晶体管（2D FinFET）及二维围栅器材（2D GAA）等新架构器材，有望打破传统硅基半导体亚5 nm厚度量子限域效应的资料约束，将让芯片迭代进入一个簇新的年代，被认为是向下一代晶体管跨进的一个里程碑，归于世界科学技能前沿的热门和新式范畴。但是，全新架构二维笔直鳍片/高氧化物的三维异质集成一直是没有处理的难题，尚归于空白，亟待打破。

　　近年来，北京大学彭海琳教授课题组主要是做二维资料物理化学与表界面调控研讨，致力于处理新式高迁移率二维资料（金属硫氧族资料、石墨烯等）的表界面成长操控及结构与功能调控中具有挑战性的世界前沿科学问题，创制了全新二维半导体芯片资料Bi2O2Se，遭到国内外同行的广泛重视和追寻，敞开了二维半导体Bi2O2Se的研讨前奏（Nature Nanotechnol. 2017, 12, 530;Acc. Mater. Res. 2021, 2, 842.），并开发了二维半导体Bi2O2Se的超薄高天然氧化物栅介质Bi2SeO5及高功能二维晶体管（Nature Electron.2020, 3, 473;Nature Electron. 2022, 5, 643;Nature Mater. 2023）。

　　针对全新三维架构中二维沟道资料与介电质集成这一科学难题和实践使用需求，最近，北京大学彭海琳教授课题组别出心裁，根据自主研发的新式二维铋基资料系统，完成了自支撑高迁移率二维半导体Bi2O2Se笔直鳍片的精准组成。一起，结合可控氧化手法，完成了晶圆级二维Bi2O2Se笔直鳍片/高自氧化物Bi2SeO5的异质集成。值得着重的是，二维Bi2O2Se可被逐层可控插层氧化减薄至1个单胞厚度（1.2纳米），并与高自氧化物Bi2SeO5构成原子级平坦、晶格匹配的高质量半导体/介电层界面。结合微纳加工及刻蚀技能，准确操控异质架构的成核进程，完成了单一取向的二维笔直鳍片/高自氧化物异质结阵列的定点和定向外延。并在此基础上初次完成了沟道厚度约6纳米的高功能二维笔直鳍式晶体管（2D FinFET）的研发。二维FinFET在迁移率（270 cm2/Vs）、关态电流（1 pA/m）和开关比（108）等功能满意业界高功能低功耗器材要求的一起，相对于商用Si、Ge及过渡金属硫化物等沟道资料，在开态电流密度方面展现出二维FinFET电子学的优势。

　　该项研讨成果完成了“从0到1”的立异打破，初次创制了一类全新架构的高迁移率二维半导体笔直鳍片/高自氧化物异质结，并在世界上首先研发了高功能二维鳍式场效应晶体管（2D FinFET），在二维资料表界面成长操控、低维资料结构与功能调控、新原理器材开发、新架构器材三维异质集成、高算力低功耗集成电路芯片等范畴具有开拓性含义。该研讨成果得到国家天然科学基金委、科技部、北京分子科学国家研讨中心、腾讯基金会、北京大学博雅博士后、北京分子科学国家研讨中心博士后项目（BMS Junior Fellow）等组织和项目的赞助，并得到了北京大学化学与分子工程学院分子资料与纳米加工实验室（MMNL）仪器渠道的支撑。（来历：科学网）