西電在材料領域國際頂級期刊ACS Nano發表研究成果

5月2日，國際材料領域頂級學術期刊《ACS Nano》（期刊影響因子13.942）在線報導了西安電子科技大學材料學院同中國科學院北京納米能源所合作的最新研究工作「Ultrathin Piezotronic Transistors with 2 nm Channel Lengths」。

該項工作在材料學院名譽院長王中林院士和秦勇教授的共同指導下，由王龍飛博士和博士一年級研究生劉書海等共同合作完成。王龍飛和劉書海為該項工作的共同第一作者。

 

器件示意圖

目前，由於短溝道效應，5 nm以下的矽基場效應電晶體的製造是非常困難的。當溝道不斷變小，降低到數個納米時，CMOS器件不僅受製造工藝的限制，還受到一些基本物理原理（例如隧穿效應等）的限制而無法正常工作。為了突破電晶體的尺寸限制，研究人員探索研究了基於碳納米管、半導體納米線以及二維過渡金屬化合物等材料的場效應電晶體，但這些器件的工作仍然依賴於外部柵極電壓的調控機制。如果無法突破該瓶頸，可能意味著摩爾定律的終結。

王中林院士於2006年首次提出一種利用完全不同於傳統CMOS器件工作原理的新型電晶體-壓電電子學電晶體(Piezotronic transistor)，利用金屬-壓電半導體界面處產生的壓電極化束縛電荷(產生壓電電勢)作為「柵極電壓」來調控電晶體中載流子的輸運特性。這種壓電電子學效應已經在具有纖鋅礦結構的壓電半導體材料中得到了廣泛證實。這種利用界面調控替代傳統外部溝道調控的兩端結構電晶體，有可能打破溝道寬度的限制。

 

 

為了探索這種突破局限的可能性，在西電先進材料與納米科技學院名譽院長、中國科學院北京納米能源與系統研究所所長王中林院士與我校秦勇教授的共同指導下，王龍飛博士和博士生劉書海等研究成員通過深入研究二維超薄氧化鋅面外壓電特性，成功地製備出一種新型的、溝道只有~2 nm的超薄氧化鋅壓電電子學電晶體，並且,首次將壓電電子學效應引入到二維超薄非層狀壓電半導體中。

 

超薄氧化鋅壓電電子學電晶體的電學輸運特性

該項工作利用金屬-半導體界面處產生的壓電極化電荷（即可以產生垂直於平面方向上的壓電電勢）作為柵極電壓有效地調控了該器件的載流子輸運特性，並且通過將兩個超薄壓電電子學電晶體串聯實現了簡易的壓力調控的邏輯電路。這項研究證實了壓電極化電荷在超窄溝道中「門控」效應的有效性，該器件不需要外部柵電極或任何其它在納米級長度下具有挑戰性的圖案化工藝設計。這項研究成果首次證實了壓電電子學效應在超窄溝道中的有效性，為新型壓電電子學電晶體的研究提供了思路，拓寬了壓電電子學的研究領域，同時也開闢了二維非層狀壓電材料的壓電特性的研究。這項研究成果在智能皮膚、人機界面和納米機電系統等領域具有潛在的廣闊應用前景。

 

壓力調控的OR邏輯電路

文獻連結：Ultrathin Piezotronic Transistors with 2 nm Channel Lengths (ACS Nano, 2018, DOI:10.1021/acsnano.8b01957)