中科(ke)院(yuan)納(na)米技術與能源(yuan)研(yan)究所(suo)： 突(tu)破常規尺(chi)寸的(de)晶體(ti)管(guan)

中科(ke)院(yuan)納(na)米技術與能源(yuan)研(yan)究所(suo)： 突(tu)破常規尺(chi)寸的(de)晶體(ti)管(guan)

歸(gui)功(gong)於電子(zi)工(gong)業的(de)飛速(su)發(fa)展，各種(zhong)處(chu)理(li)器芯片尺(chi)寸越(yue)來(lai)越(yue)小、功(gong)能越(yue)來(lai)越(yue)強(qiang)、功(gong)耗(hao)越(yue)來(lai)越(yue)低(di)，目前三(san)星(xing)、臺(tai)積電等公(gong)司(si)已經(jing)開始布局7納(na)米工(gong)藝芯(xin)片。但(dan)是(shi)，由(you)於短溝道(dao)效應、漏(lou)電場、電介(jie)質(zhi)的(de)擊穿(chuan)等問(wen)題(ti)的(de)限制(zhi)，低(di)於(yu)5納米的(de)矽(gui)晶體(ti)管(guan)還(hai)是(shi)很難制備(bei)成功(gong)。為了(le)突破(po)5納米限制(zhi)，科(ke)學家們(men)探索研究了(le)基(ji)於碳(tan)納米管、半(ban)導體納米線、二(er)維過(guo)渡(du)金屬(shu)化(hua)合物等材(cai)料(liao)的(de)場效應晶體(ti)管(guan)，但(dan)是(shi)這(zhe)些器件的(de)工(gong)作仍(reng)然需(xu)要(yao)依賴(lai)外(wai)部柵(zha)極電壓的(de)調(tiao)控。如果(guo)這(zhe)種(zhong)情(qing)況不(bu)能繼續下(xia)去，這(zhe)可(ke)能意味(wei)著摩(mo)爾(er)定律(lv)的(de)終(zhong)結(jie)，那(na)麽科(ke)學家們(men)有什麽新(xin)的(de)解決(jue)方(fang)案呢？

中科(ke)院(yuan)外(wai)籍(ji)院(yuan)士、中科(ke)院(yuan)北京納米能源(yuan)與系(xi)統研(yan)究所(suo)所(suo)長、佐治(zhi)亞(ya)理(li)工(gong)學院(yuan)終(zhong)身講席(xi)教授(shou)王(wang)中林(lin)，在(zai)2006年發(fa)現(xian)了利(li)用氧(yang)化(hua)鋅(xin)納(na)米線受(shou)應力時(shi)產(chan)生的(de)壓電電勢(shi)來(lai)調(tiao)控場效應晶體(ti)管(guan)的(de)載(zai)流(liu)子(zi)輸運特(te)性(xing)，這(zhe)種(zhong)晶體(ti)管(guan)即(ji)後來(lai)所說的(de)壓電電子(zi)學晶體(ti)管(guan)。王(wang)教授(shou)也(ye)因此(ci)提(ti)出了(le)壓電電子(zi)學的(de)概(gai)念，為壓電電子(zi)學領(ling)域(yu)的(de)研究拉(la)開了序(xu)幕，並(bing)為(wei)該(gai)領域(yu)奠定(ding)了(le)堅(jian)實(shi)的(de)理(li)論基礎(chu)。

於是，科(ke)學家們(men)將目光投向了這(zhe)種(zhong)新(xin)型(xing)器件——壓電電子(zi)學晶體(ti)管(guan)。壓電電子(zi)學晶體(ti)管(guan)是(shi)壹(yi)種(zhong)利(li)用*不(bu)同(tong)於傳(chuan)統 CMOS 器件工(gong)作原(yuan)理(li)的(de)新(xin)型(xing)器件。這(zhe)種(zhong)器件利(li)用金(jin)屬(shu)-壓電半導體界(jie)面處(chu)產(chan)生的(de)壓電極化(hua)電荷（即(ji)壓電電勢(shi)），作(zuo)為柵(zha)極電壓來(lai)調(tiao)控晶體(ti)管(guan)中載(zai)流(liu)子(zi)的(de)輸運特(te)性(xing)，目前已經(jing)在(zai)具有纖鋅(xin)礦(kuang)結(jie)構(gou)的(de)壓電半導體材料中得到(dao)了廣泛(fan)證實(shi)。這(zhe)種(zhong)二(er)端(duan)結(jie)構(gou)的(de)晶體(ti)管(guan)，不(bu)但(dan)創新(xin)地利(li)用界(jie)面調(tiao)控替代了(le)傳(chuan)統的(de)外部(bu)溝(gou)道(dao)調(tiao)控，而且還很(hen)有可(ke)能打(da)破溝道(dao)寬(kuan)度的(de)限制(zhi)。

日前(qian)，在(zai)王(wang)中林(lin)院(yuan)士與西(xi)安(an)電子(zi)科(ke)技大(da)學(xue)秦(qin)勇(yong)教(jiao)授(shou)的(de)指導下，中科(ke)院(yuan)北京納米能源(yuan)與系(xi)統研(yan)究所(suo)科(ke)研人(ren)員王(wang)龍飛、劉(liu)書(shu)海(hai)等制(zhi)備(bei)了壹(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)的(de)超(chao)薄氧(yang)化(hua)鋅(xin)壓電晶體(ti)管(guan)，將壓電電子(zi)學效應引(yin)入(ru)到(dao)二維超(chao)薄非層狀(zhuang)壓電半導體材料中。

制備(bei)過(guo)程(cheng)是(shi)這(zhe)樣的(de)：科(ke)研人(ren)員利(li)用電子(zi)書(shu)曝光技術在(zai)基底材(cai)料(liao)制(zhi)備(bei)金屬(shu)電極，然後將超(chao)薄氧(yang)化(hua)鋅(xin)轉(zhuan)移(yi)到(dao)電極上(shang)去，後(hou)頂層制備(bei)壹層(ceng)金屬電極，形(xing)成(cheng)壹種(zhong)金(jin)屬/半導體/金屬三(san)明(ming)治(zhi)結(jie)構(gou)的(de)壓電晶體(ti)管(guan)。如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)：

 壓電晶體(ti)管(guan)詳(xiang)細結(jie)構(gou)圖(tu)：(a)具有纖鋅(xin)礦(kuang)結(jie)構(gou)的(de)超(chao)薄氧(yang)化(hua)鋅(xin)結(jie)構(gou)示(shi)意圖(tu)；(b)超(chao)薄氧(yang)化(hua)鋅(xin)的(de)側面(mian)結(jie)構(gou)示(shi)意圖(tu)；(c)超(chao)薄氧(yang)化(hua)鋅(xin)的(de)壓電效應；(d)基於(yu)二維氧(yang)化(hua)鋅(xin)的(de)超(chao)薄壓電電子(zi)學晶體(ti)管(guan)的(de)示(shi)意圖(tu)。

那(na)麽，這(zhe)種(zhong)壓電晶體(ti)管(guan)是(shi)怎(zen)麽工(gong)作的(de)呢？下面(mian)這(zhe)幅(fu)圖(tu)是(shi)壓電電子(zi)學的(de)原(yuan)理(li)圖(tu)，當(dang)外(wai)界(jie)施(shi)加壹個(ge)壓力迫(po)使(shi)氧(yang)化(hua)鋅(xin)納(na)米片發(fa)生(sheng)形變，從而(er)導致(zhi)內部正(zheng)負電荷中心不(bu)重合，上(shang)下(xia)表面產(chan)生壓電極化(hua)電荷（即(ji)壓電電勢(shi)）。

壓電電子(zi)學晶體(ti)管(guan)的(de)工(gong)作原(yuan)理(li)：(a) 超(chao)薄氧(yang)化(hua)鋅(xin)壓電電子(zi)學晶體(ti)管(guan)的(de)側面(mian)示(shi)意圖(tu)；(b) 不(bu)同(tong)壓強下(xia)超(chao)薄壓電晶體(ti)管(guan)中載(zai)流(liu)子(zi)的(de)輸運特(te)性(xing)；(c) 壓電電子(zi)學的(de)原(yuan)理(li)；(d) 超(chao)薄氧(yang)化(hua)鋅(xin)壓電電子(zi)學晶體(ti)管(guan)的(de)電流實(shi)時(shi)測(ce)量。

壹(yi)般(ban)說來(lai)，負壓電極化(hua)電荷會(hui)吸(xi)引(yin)金屬-半(ban)導體界(jie)面附近(jin)的(de)空穴(xue)，而(er)導致(zhi)界(jie)面處(chu)勢(shi)壘(lei)高(gao)度降低(di)，而(er)正壓電極化(hua)電荷則可(ke)以消(xiao)耗(hao)金(jin)屬(shu)-半(ban)導體界(jie)面附近(jin)的(de)空穴(xue)，導致(zhi)界(jie)面處(chu)勢(shi)壘(lei)高(gao)度增加。應力誘導的(de)壓電極化(hua)電荷的(de)極性(xing)造成上(shang)下(xia)金屬-半導體界(jie)面勢(shi)壘(lei)高(gao)度的(de)反向調(tiao)控，從而(er)導致(zhi)超(chao)薄壓電電子(zi)學晶體(ti)管(guan)的(de)電學輸(shu)運的(de)各向異性(xing)變(bian)化(hua)。壓電勢(shi)的(de)大小和極性(xing)取(qu)決(jue)於(yu)壓電半導體的(de)晶體(ti)取(qu)向(xiang)和應力大(da)小和方向。

因此(ci)，金屬(shu)-半導體界(jie)面處(chu)的(de)載(zai)流(liu)子(zi)的(de)傳輸(shu)可(ke)以通(tong)過(guo)對外(wai)部應力的(de)控制來(lai)實(shi)現(xian)。這(zhe)便是(shi)壓電電子(zi)學晶體(ti)管(guan)可(ke)以通(tong)過(guo)機(ji)械信(xin)號(hao)來(lai)作為(wei)控制信號(hao)，而(er)無需(xu)外(wai)加門極電壓的(de)原(yuan)因，並(bing)且(qie)通過(guo)將兩(liang)個超(chao)薄壓電電子(zi)學晶體(ti)管(guan)串聯實(shi)現(xian)了簡易的(de)壓力調(tiao)控的(de)邏(luo)輯電路。

應力調(tiao)控的(de)壓電電子(zi)學邏(luo)輯電路

研(yan)究人(ren)員通過(guo)壹種(zhong)異於(yu)常規的(de)方法(fa)開發(fa)出了(le)這(zhe)種(zhong)具有〜2納米物理(li)溝(gou)道(dao)的(de)超(chao)薄氧(yang)化(hua)鋅(xin)壓電電子(zi)學晶體(ti)管(guan)，突(tu)破(po)了常規方(fang)法(fa)制備(bei)的(de)晶體(ti)管(guan)的(de)尺寸極限(xian)。將壓電功(gong)能和晶體(ti)管(guan)相(xiang)結(jie)合，這(zhe)項研究證實(shi)了(le)壓電極化(hua)電荷在(zai)超(chao)短溝道(dao)中“門控”效應的(de)有效性(xing)，該(gai)器件不(bu)需(xu)要(yao)外(wai)部柵(zha)電極或(huo)任(ren)何(he)其它(ta)在(zai)納米級(ji)長度下具有挑(tiao)戰性(xing)的(de)圖(tu)案化(hua)工(gong)藝設計。該(gai)項工(gong)作為(wei)深入(ru)理(li)解具有超(chao)短溝道(dao)的(de)高(gao)性(xing)能(neng)晶體(ti)管(guan)的(de)開發(fa)奠(dian)定了基(ji)礎(chu)，同時(shi)證明了(le)超(chao)薄壓電材料(liao)在(zai)下壹代電子(zi)產(chan)品中的(de)潛在(zai)應用前(qian)景(jing)，為壓電領域(yu)尋(xun)求的(de)輕量(liang)化(hua)、高(gao)能(neng)量(liang)密度化(hua)開辟了新(xin)途徑(jing)。