【引言】
由于短溝道效應(yīng)，Sub－5 nm硅（Si）場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造是非常困難的。隨著溝道長(zhǎng)度的減小，CMOS器件不僅受到小尺寸的制造技術(shù)的限制，而且還受到一些基本的物理學(xué)原理如漏電場(chǎng)，電介質(zhì)的擊穿等限制。為了突破5納米節(jié)點(diǎn)的限制，研究人員探索研究了基于碳納米管、半導(dǎo)體納米線以及二維過(guò)渡金屬化合物等材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，但這些器件的工作仍然依賴于外部柵極電壓的調(diào)控機(jī)制。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)。壓電電子學(xué)晶體管是一種利用完全不同于上述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(lái)調(diào)控晶體管中載流子的輸運(yùn)特性，并且已經(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)的晶體管不僅創(chuàng)新地利用界面調(diào)控替代了傳統(tǒng)的外部溝道調(diào)控，并且有可能打破溝道寬度的限制。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，在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)院校董教授王中林院士和西安電子科技大學(xué)秦勇教授的指導(dǎo)下，王龍飛博士、劉書海和殷鑫博士等研究成員制備了一種新型的、溝道只有2 nm的超薄氧化鋅壓電電子學(xué)晶體管，首次將壓電電子學(xué)效應(yīng)引入到二維超薄非層狀壓電半導(dǎo)體材料中。該工作系統(tǒng)地研究了二維超薄氧化鋅垂直方向上的壓電特性，利用金屬－半導(dǎo)體界面處產(chǎn)生的壓電極化電荷（即垂直方向上的壓電電勢(shì)）作為柵極電壓有效地調(diào)控了該器件的載流子輸運(yùn)特性，并且通過(guò)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。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)。這項(xiàng)研究成果開辟了壓電電子學(xué)效應(yīng)在二維非層狀壓電半導(dǎo)體材料的研究，并且在人機(jī)界面、能源收集和納米機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以 “Ultrathin Piezotronic Transistors with 2 nm Channel Lengths”發(fā)表在ACS Nano上。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1基于二維氧化鋅的超薄壓電電子學(xué)晶體管
（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
圖2 二維超薄氧化鋅的形貌、電學(xué)特性和壓電特性的表征
（a） 超薄氧化鋅的AFM掃描圖像
（b） HRTEM圖像
（c） 超薄氧化鋅的電學(xué)特性
（d－j） 超薄氧化鋅的壓電特性
圖3 超薄氧化鋅壓電電子學(xué)晶體管的電學(xué)輸運(yùn)特性
（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
圖4 壓力調(diào)控的OR邏輯電路
（a－d） 單獨(dú)施加一個(gè)力以及對(duì)應(yīng)輸出電流的狀態(tài)
（e－f） 同時(shí)施加兩個(gè)力以及對(duì)應(yīng)輸出電流的狀態(tài)
【小結(jié)】
研究團(tuán)隊(duì)成功制備了超短溝道的氧化鋅壓電電子學(xué)晶體管，首次證實(shí)了壓電電子學(xué)效應(yīng)在超短溝道中的有效性，為新型壓電電子學(xué)晶體管的研究提供了思路，拓寬了壓電電子學(xué)的研究領(lǐng)域，同時(shí)也開辟了二維非層狀壓電材料的壓電特性的研究。這項(xiàng)研究成果在智能皮膚、人機(jī)界面和納米機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有潛在的廣闊應(yīng)用前景。
