鳍式场效应晶体管（FinFET）技术将硅基沟道和栅极制备成类似于鱼鳍（Fin）的垂直薄片结构，于2011年实现了集成电路商业化量产，突破了芯片22纳米制程工艺。自此，垂直鳍片沟道架构主导了现代晶体管微缩制程工艺，也是当前最先进的商用3纳米芯片制程的主流架构。当前3纳米制程的硅基鳍式晶体管（FinFET）的最小鳍片厚度约5纳米，已经趋近物理极限，硅基材料在芯片尺寸微缩极限下将面临短沟道效应等关键挑战，亟需芯片关键材料及其三维异质集成技术的创新。

　　开发高迁移率二维半导体鳍片/高介电常数(κ)栅介质集成型鳍式晶体管，有望突破传统硅基晶体管物理极限，尤其是在实现亚1纳米鳍片沟道厚度与原子级平整界面方面具有独特的优势，从而展现出优异的器件性能与高密度集成潜力。然而，为了实现优异的二维鳍片器件性能与高集成度，通常需要高κ栅介质集成型多鳍片阵列的可控制备，这在二维鳍式晶体管中仍属挑战。

　　针对这一难题，必威彭海琳课题组与深圳先进技术研究院丁峰课题组合作，发展了一种基底台阶诱导二维半导体鳍片定点、定向、垂直外延生长的方法，实现了单一取向二维鳍片阵列的表界面控制制备，并研制了高性能高κ栅介质集成型多通道二维鳍式晶体管，证明了二维鳍式晶体管的集成潜力。研究成果以“Integrated 2D multi-finfield-effect transistors”为题，于2024年4月29日，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）期刊上（Nature Commun. 2024,15,3622）。

　　近年来，必威彭海琳课题组主要从事二维材料物理化学与纳米器件研究，致力于高迁移率二维材料（石墨烯、拓扑绝缘体、氧硫族半导体）的控制合成、界面调控和器件应用研究。在国际上率先开发了高迁移率二维半导体（Bi₂O₂Se）及其高κ自然氧化物栅介质Bi₂SeO₅材料体系（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nature Electron. 2020, 3, 473; Nature Electron. 2022, 5, 643; Nature Mater. 2023, 22, 832），构筑了高速低功耗电子器件、量子输运器件、超快高敏红外光探测及高敏气体传感器（Nature Commun. 2018, 9, 3311; Science Adv. 2018, 4, eaat8355; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2726; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 17938; Acc. Mater. Res. 2021, 2, 842），并基于二维Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅创制了世界首例高κ栅介质集成型二维鳍式晶体管（Nature. 2023,616,66）。

　　最近，彭海琳课题组基于高迁移率二维半导体Bi₂O₂Se垂直鳍片阵列的外延生长方法，进一步开发了一种台阶诱导的选择性成核垂直外延方法，通过在绝缘衬底表面（LAO（100）晶面，CaF₂（110）晶面，以及MgO（110）晶面）人为地制造平行台阶，诱导二维Bi₂O₂Se鳍片在台阶处优先成核，同时控制二维鳍片的取向与成核位点，制备了单一取向二维Bi₂O₂Se鳍片阵列。并利用可控插层氧化技术，实现了单一取向二维Bi2O2Se鳍片阵列与高κ自氧化物Bi₂SeO₅的三维异质外延集成。值得注意的是，通过提高台阶密度，可实现高密度二维鳍片阵列制备，鳍片最小间距可达~20nm。

图1. 单一取向二维Bi₂O₂Se鳍片阵列的台阶诱导外延。（a）在台阶处成核的二维鳍片示意图；（b）台阶诱导外延生长的单一取向二维Bi₂O₂Se鳍片阵列的倾角扫描电镜图像；（c-e）不同衬底上台阶诱导外延生长的高密度二维Bi₂O₂Se鳍片阵列的扫描电镜图像；（f）不同衬底上不同阵列中最小鳍片间距统计。

　　高密度、单一取向的高κ自氧化物Bi₂SeO₅集成型二维鳍片阵列的外延集成，为具有高驱动能力的多通道二维鳍式晶体管的开发奠定了材料基础。研究团队基于外延二维Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅异质结阵列，研制了高性能多通道二维鳍式晶体管。晶体管具有优异的电学性能，迁移率高达267cm²V^-1s^-1，关态电流小于0.01nA，开关比大于10⁶。随着器件中鳍片数量的增加，晶体管的驱动能力也逐渐提升，表现出更大的开态电流和跨导，其中基于五个鳍片的晶体管开态电流高达1mA。高开态电流决定了多通道二维鳍式晶体管具有低至30ps的延迟时间。

　　图2. 多通道二维鳍式晶体管电学性能。（a）三通道二维鳍式晶体管扫描电镜图像；（b）图a中器件的输出特性曲线；（c）图a中器件的转移特性曲线；（d）基于不同数量鳍片构筑的二维鳍式晶体管开态电流与跨导比较；（e）多通道二维鳍式晶体管与其他晶体管的延迟时间比较。

　　高κ自氧化物Bi₂SeO₅集成型多通道二维鳍式晶体管的优异电学性能证明了二维Bi₂O₂Se鳍片阵列可协同工作，具有通过多鳍片集成实现复杂逻辑运算的潜力。未来随着台阶制造方法的进一步优化与台阶间距的精确控制，规则排列的高密度二维Bi₂O₂Se鳍片阵列有望为二维鳍式晶体管（2D FinFET）及二维垂直围栅器件（2D VGAA）的大面积集成提供材料基础，在未来高算力低功耗微纳电子器件的发展中具有重要意义。

　　该研究成果以“集成型多通道二维鳍式晶体管”（Integrated 2D multi-finfield-effecttransistors）为题，近日发表于Nature Communications。必威彭海琳教授、深圳先进技术研究院丁峰教授是该论文的共同通讯作者，必威博士研究生于梦诗、BMSFellow博士后谭聪伟、深圳先进技术研究院博士后尹玉玲是共同第一作者。

　　该研究成果得到国家自然科学基金委、科技部、北京分子科学国家研究中心、新基石基金会、北京分子科学国家研究中心博士后项目等机构和项目的资助，并得到了必威的分子材料与纳米加工实验室（MMNL）仪器平台的支持。

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47974-2

排版：高杨

审核：李玲，高珍