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【引言】

由于短溝道效應，Sub－5 nm硅（Si）場效應晶體管的制造是非常困難的。隨著溝道長度的減小，CMOS器件不僅受到小尺寸的制造技術的限制，而且還受到一些基本的物理學原理如漏電場，電介質的擊穿等限制。為了突破5納米節點的限制，研究人員探索研究了基于碳納米管、半導體納米線以及二維過渡金屬化合物等材料的場效應晶體管，但這些器件的工作仍然依賴于外部柵極電壓的調控機制。如果這種情況不能繼續下去，這可能意味著摩爾定律的終結。壓電電子學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－壓電半導體界面處產生的壓電極化電荷（即壓電電勢）作為柵極電壓來調控晶體管中載流子的輸運特性，并且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。這種二端結構的晶體管不僅創新地利用界面調控替代了傳統的外部溝道調控，并且有可能打破溝道寬度的限制。

【成果簡介】

近日，在中科院北京納米能源與系統研究所所長，佐治亞理工學院校董教授王中林院士和西安電子科技大學秦勇教授的指導下，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晶體管，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材料中。該工作系統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－半導體界面處產生的壓電極化電荷（即垂直方向上的壓電電勢）作為柵極電壓有效地調控了該器件的載流子輸運特性，并且通過將兩個超薄壓電電子學晶體管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短溝道中“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。這項研究成果開辟了壓電電子學效應在二維非層狀壓電半導體材料的研究，并且在人機界面、能源收集和納米機電系統等領域具有潛在的應用前景。相關研究成果以  “Ultrathin Piezotronic Transistors with 2 nm Channel Lengths”發表在ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖1基于二維氧化鋅的超薄壓電電子學晶體管

（a） 具有纖鋅礦結構的超薄氧化鋅結構示意圖

（b） 超薄氧化鋅的側面結構示意圖

（c） 超薄氧化鋅的壓電效應

（d） 基于二維氧化鋅的超薄壓電電子學晶體管的示意圖

圖2 二維超薄氧化鋅的形貌、電學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晶體管的電學輸運特性

（a） 超薄氧化鋅壓電電子學晶體管的側面示意圖

（b） 不同壓強下超薄壓電晶體管中載流子的輸運特性

（c） 壓電電子學的原理

（d） 超薄氧化鋅壓電電子學晶體管的電流實時測量

圖4 壓力調控的OR邏輯電路

（a－d） 單獨施加一個力以及對應輸出電流的狀態

（e－f） 同時施加兩個力以及對應輸出電流的狀態

【小結】

研究團隊成功制備了超短溝道的氧化鋅壓電電子學晶體管，首次證實了壓電電子學效應在超短溝道中的有效性，為新型壓電電子學晶體管的研究提供了思路，拓寬了壓電電子學的研究領域，同時也開辟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。