來源：科學之邦

【研究背景】

隨著摩爾定律的推進，傳統基于三維半導體的場效應晶體管（FETs）不斷縮小，這導致了設備性能的提升和晶體管密度的增加。然而，隨著尺寸的進一步縮小，傳統FETs面臨著諸多挑戰，包括短通道效應、界面缺陷和非均勻靜電控制等問題。為了應對這些挑戰，學術界和產業界開始關注二維（2D）半導體材料的潛力，這些材料具有原子平坦的表面和優異的電子特性。在此背景下，研究人員開始探索利用2D材料構建3D晶體管結構，特別是垂直2D FinFETs。這種結構具有優越的靜電控制和更低的能耗，但傳統基于硅的FinFETs在繼續縮小尺寸時遇到了困難，如短通道效應和鰭形狀導致的非均勻靜電控制。因此，研究人員開始關注使用2D半導體構建垂直2D FinFETs，以克服這些挑戰。然而，過去的研究主要集中在單鰭FETs上，對于實現高密度集成和更高性能的多鰭FETs仍存在挑戰。因此，本研究的背景是要解決如何在多鰭FETs中實現高密度的2D鰭陣列生長的問題。針對這一挑戰，北京大學化學與分子工程學院教授和課題組長、國家杰出青年科學基金獲得者彭海琳教授、深圳理工大學/中科院深圳先進技術研究院丁峰教授研究團隊合作并提出了一種搭臺引導外延的方法，可以在各種絕緣基底上生長高密度、單向的2D鰭陣列，從而實現集成2D多鰭FETs。這種方法通過控制核結合能量和基底對稱性，實現了高密度平行的2D鰭陣列的生長，最小鰭間距可達亞20納米。

二、【研究亮點】

1.本文首次提出了一種 ledge-guided epitaxy 方法，成功在不同絕緣基底上生長了高密度、單向的二維（2D）鰭陣列，用于制造集成的2D多鰭場效應晶體管（FETs）。2.通過此方法，研究人員能夠控制2D Bi2O2Se鰭陣列的成核位置和方向，實現了最小鰭間距為亞20納米的高密度平行2D鰭陣列的生長。3.實驗結果表明，采用 ledge-guided epitaxy 方法生長的2D Bi2O2Se鰭陣列具有獨特的單向性，且與基底的對稱性無關，與最近報道的缺陷誘導外延方法有所不同。4.此外，預先創建的對齊臺階有助于降低在臺階邊緣的核結合能量，進而控制2D鰭陣列的成核位置和方向。5.利用這一方法制備的2D Bi2O2Se鰭陣列被成功集成到多通道2D FinFETs中，并與高介電常數的天然氧化物Bi2SeO5進行了集成，展現出優越的電性能和良好的耐久性，包括低關態電流（IOFF）、大通/關電流比（ION/IOFF）超過106和高通態電流（ION）。

圖1：垂直2D鰭陣列的搭臺引導外延生長，用于2D多鰭場效應晶體管（FETs）。

圖2. 通過搭臺引導外延生長的垂直2D鰭的結構表征和成核機制。

圖3.在步驟的幫助下，引導生長單向高密度2D鰭陣列，用于2D多鰭FETs。

圖4.基于排列的2D Bi2O2Se-Bi2SeO5鰭氧化物陣列的2D多鰭FinFETs的電性能。

圖5：具有不同數量鰭的2D FinFETs的電性能比較。

三、【研究結論】

總的來說，作者開發了搭臺引導外延作為一種多功能的方法，用于在各種絕緣基底上制備高密度單向的2D Bi2O2Se鰭陣列。作者證明了生長基底的原子級銳利步邊在控制垂直2D Bi2O2Se鰭的成核位置和平面取向中起著至關重要的作用。基于外延集成的2D Bi2O2Se/Bi2SeO5鰭-氧化物陣列制成的2D多鰭FETs表現出高通態電流和顯著的器件耐久性，即使在重復測量和高工作溫度下也是如此。通過進一步優化通過離子束刻蝕實現的高密度對齊臺階的制備，以及精確控制臺階間距，可以實現有序的更高密度2D Bi2O2Se鰭陣列。這一進步將促進2D多鰭FETs的大規模集成，從而進一步推動2D晶體管的尺寸縮放。原文詳情：Yu, M., Tan, C., Yin, Y. et al. Integrated 2D multi-fin field-effect transistors. Nat Commun 15, 3622 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47974-2

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審核編輯 黃宇