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        中國85后科學家制造出世界上最薄的鰭式晶體管

        2020-12-28 16:13| 發布者: cncelab| 查看: 1887| 評論: 0|來自: 深科技

        摘要: 首次提出了利用二維原子晶體替代硅基場效應晶體管 FinFET 的 fin 的溝道材料,通過模板生長結合多步刻蝕的方法,制備出了目前世界上溝道寬度最小的(0.6nm)鰭式場效應晶體管(FinFET),也是目前世界上最薄的鰭式晶 ...
        【消費電子實驗室-2020/12/28】自然界中有 10 萬種材料,其中約 5000 種是層狀材料。如果將它兩兩組合或者三三組合,那么可能性遠遠大于 100 萬種,其物理性質也大有不同。
         
        “納米積木”(原子層范德華納米材料及其異質結構),就是把不同的層狀材料的單層或少層分離出來,像搭積木一樣,通過堆疊、旋轉等方式,設計特定的形狀或結構,形成一個自然界中不存在的 “人造晶體”。

        山西大學光電研究所韓拯就是玩轉 “納米積木” 的一位年輕教授,他通過設計特殊的結構,借用傳統半導體器件的范例,在微納米尺度新型半導體結構,展示了二維層狀材料垂直組裝電子器件的諸多新奇物理現象。

        韓拯和合作者首次利用二維原子晶體替代硅基場效應鰭式晶體管的道溝材料,在實驗室規模演示了目前世界上溝道寬度最小的鰭式場效應晶體管,將溝道材料寬度減小至 0.6 納米。同時,獲得了最小間距為 50 納米的單原子層溝道鰭片陣列。

        此外,他帶領的研究團隊首次報道的二維本征鐵磁半導體自旋場效應器件,為繼續尋找室溫本征二維鐵磁半導體提供了指導意義。


        圖 | 《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人” 2020 年中國區榜單入選者韓拯

        憑借上述研究成果,韓拯成功入選 “35 歲以下科技創新 35 人”(Innovators Under 35)2020 年中國區榜單,獲獎理由為用二維功能材料制造新型的納米電子器件,以新型的原子層次制造路線突破半導體工藝,為后摩爾時代晶體管工藝尋找新方案。

        以“納米積木”為研究對象
        鉛筆芯的主要成分是石墨,是典型的范德華材料。由于石墨中碳原子層與層之間的范德華結合力較弱,在紙上寫字過程當中筆尖上“蹭”下來的二維碳納米片,就成為了宏觀下人們看到的字跡。直到 2000 年左右,英國曼徹斯特科學家安德烈・海姆(Andre Geim,AG)和康斯坦丁・諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)首次把石墨的單原子層(約 0.3nm 厚)分離了出來,并因此獲得了 2010 年諾貝爾物理學獎。

        圖 | 堆疊的納米積木

        韓拯以此為靈感,對物理、材料工程、微觀世界等科學領域愈發好奇,這也跟他的成長經歷息息相關。

        韓拯是江蘇人,本科考入吉林大學物理學院,開始核物理專業學習。之后考入中國科學院金屬研究所材料學碩士專業。2010 年,他在法國國家科學中心 CNRS 下屬的 NEEL 研究所攻讀納米電子學與納米科技博士學位。其導師對于他的評價是:“年輕躁動、充滿創新活力!

        之后他作為博士后,在美國哥倫比亞大學物理系,從事范德華人工異質結構的維納器件量子霍爾效應和電子光學等物理性能研究。

        “隨著對自身行業的不斷深入了解和研究,漸漸地進入了角色,也愛上了科研! 韓拯告訴 DeepTech。

        期間,他作為共同第一作者,完成了二維彈道輸運電子在 pn 結界面的負折射工作,為實現新的電子開關創造了基礎,被 Physics World 雜志評為 2016 年度十大物理學突破之一。

        在 2015 年 9 月,而立之年的韓拯決定回國,之后一直在中國科學院金屬研究所開展新型人工納米器件的量子輸運調控研究。

        對于他而言,在研究當中最享受和最開心的事莫過于,本來一個不太明白的事,不斷地通過數據積累與同行討論之后把它弄明白。

        之后,韓拯團隊以少數層二硫化鉬為研究體系,利用超。ㄉ贁翟訉樱┑牧降穑╤-BN)作為范德華異質結的隧穿層,系統開展了隧穿晶體管器件研究。

        圖 | 硫化鉬隧穿晶體管光學照片(比例尺 5 微米)、多工作組態整流效應、以及垂直方面切面圖

        通過在金屬和半導體 MoS2 界面之間引入隧穿層 h-BN,可有效降低界面處的肖特基勢壘,從而實現通過局域柵電極對通道 MoS2 費米能級的精確靜電調控。所獲得的 MoS2 隧穿晶體管僅通過門電壓調控,即可實現具有不同功能的整流器件,包括 pn 二極管、全關、np 二極管、全開器件。

        這項工作首次將雙向可調的二極管和場效應管集成到單個納米器件中,為未來超薄輕量化、柔性多工作組態的納米器件提供了研究思路。

        為尋找室溫本征二維鐵磁半導體提供指導意義
        之所以選擇納米新材料這個方向,除了自身專業背景之外,更重要的是韓拯對科學一直抱有好奇心。

        性半導體器件有望將信息存儲和邏輯運算機集成為一個單元,實現存算一體以提高計算機的性能。該研究領域也一直被高度關注,《科學》雜志也曾將室溫磁性半導體列為 125 項重大科學問題之一。

        對此,韓拯表示:“硬盤的讀寫速率速度越來越跟不上 CPU 的運行速度,如果能把它倆合到一起去做存算一體,可以提高計算機的性能。最直接的方法就是把硅半導體與磁復合到一起,變成一個磁性半導體!

        韓拯團隊采用惰性氣氛下原子層厚度的垂直組裝,發現 3.5nm 厚的 Cr2Ge2Te6 材料在鐵磁居里溫度以下能夠保持優秀的載流子導通性,并且能夠實現電子與空穴的雙極場效應。該型納米器件在門電壓調控下,磁性亦能得到有效調控,并且與電輸運相仿,存在雙極門電壓可調特性。

        圖 | 二維鐵磁半導體中自旋與電荷的雙極可調特性

        “磁性的來源是電子自旋和自旋之間的相互作用。目前,人們發現的室溫鐵磁性基本上要么在金屬當中,要么在絕緣體當中,半導體的磁性很難維持到室溫?茖W家們一直在積極研究尋找室溫下堪用的磁性半導體! 韓拯告訴 DeepTech。

        少數層 Cr2Ge2Te6 是目前已知的首個擁有內稟自旋和電荷態密度雙重雙極可調特性的二維納米電子材料,這為繼續尋找室溫本征二維鐵磁半導體提供了一定的指導意義。

        例如,來自新加坡國立大學的研究團隊在該研究基礎上,進一步加強了離子摻雜膠的載流子濃度,將少數層 Cr2Ge2Te6 的鐵磁居里溫度增強了 4 倍,達到 250K(零下 25 攝氏度)溫度。

        發現電子世界的“交通新規”
        除此之外,韓拯與合作者首次針對具有巨大面內電導率各向異性的二維材料碲化鎵,通過垂直電場實現了對該各向異性電阻率比值的調控,從 10 倍調控至高達 5000 倍,該數值為目前已知二維材料領域里報道的最高記錄。

        這意味著發現了電子世界的 “交通新規”:在晶格傳輸過程中,受外電場的影響,電子的導電特性沿著不同方向表現出了一定的差異。

        也就是說,如果將電子傳輸通道比喻成兩條垂直的繁華街道。當沒有電場時,一條是另一條通過率的 10 倍左右。一旦施加一定強度的外電場,這兩條 “車道” 上的電子通過率差別可高達 5000 倍。

        站在科幻角度來描述,這種材料可以制作成為一種新型各向異性存儲器,當該存儲器中一次性寫入的數據,沿其中一個方向讀取出來的是一本小說,而沿另一個方向讀取出來的,則是一部電影。

        圖 | 電場可調的二維碲化鎵中電子輸運的“新交規”假想圖

        發現的二維極限 GaTe 納米電子器件展示出了門電壓可調的、面內巨各向異性電阻效應(Giant Anisotropic Resistance),為實現新型各向異性邏輯運算、存儲單元、以及神經元模擬器件等提供了可能。

        制備出世界上最薄的鰭式晶體
        之后,韓拯與合作者湖南大學劉松教授、金屬研究所孫東明教授等人,首次提出了利用二維原子晶體替代硅基場效應晶體管 FinFET 的 fin 的溝道材料,通過模板生長結合多步刻蝕的方法,制備出了目前世界上溝道寬度最小的(0.6nm)鰭式場效應晶體管(FinFET),也是目前世界上最薄的鰭式晶體管。

        圖 | 單原子層溝道的鰭式場效應晶體管與傳統結構對比示意圖

        FinFET 是一種為了解決由于進一步集成化需求,硅基平面場效應晶體管的尺寸被進一步縮小所引起的短溝道效應等問題,采用將溝道和柵極制備成 3D 豎直形態的鰭(fin)式晶體管。然而,受限于目前微納加工的精度,報道的硅基 FinFET 溝道寬度最小約為 5nm。

        該團隊采用自下而上 Bottom-up 的濕法化學沉積,在高度數百納米臺階狀的模板犧牲層上連續保形生長單層二維原子晶體半導體,最終將 FinFET 的溝道材料寬度縮小至單原子層極限的亞納米尺度(0.6 nm),幾乎達到物理極限。

        同時,采用多重刻蝕等微納加工工藝,基于此制備演示了最小間距為 50 nm 的單原子層溝道鰭片陣列,為后摩爾時代的場效應晶體管器件的發展提供了新方案。

        在工業界,尤其在半導體工業,大家都希望芯片的尺度越來越小,性能越來越高。FinFET可以把平面通道變成站立通道,這樣就節約了大量的空間,如此一次就能在更小的面積里,儲存更多的芯片或運算單元。

        做“孤獨”的研究者
        簡單來講,韓拯其主要研究的是功能材料在尺寸非常非常小的時候,有哪些有趣的物理性質和新奇的物理行為,并進一步利用這些有趣的物理現象,來組裝制造成納米尺度下的低功耗、多功能、智能化的小型電子器件。

        事實上,一些范德華材料已經在例如透明柔性電子、能源催化等諸多性能方面超越了傳統材料,具有誘人的發展前景。

        “團隊目前雖然以基礎研究為主,但也正在逐漸努力從實驗室走向應用,我們需要進一步在原始創新以及與應用研究交叉結合等方面多下功夫”。如何實現從零到一的創造發明,并不斷加強研究的深度,將是韓拯團隊后續工作中的首要目標。

        “我們知道這很難,但是仍然要努力學習做一名孤獨的研究者,一方面,是靜下心來鉆研的孤獨,另一方面,則是在創新創造上獨樹一幟! 韓拯告訴 DeepTech。

        在下一階段,韓拯表示將繼續深耕納米積木領域,專注在新原理、新結構、新制造方式等科學目標。用自下而上、原子層次制造的路線,與目前主流的自上而下半導體工藝相結合,從而展現更多的可能性。

        相信在摩爾定律行將失效不久的將來,小尺寸的突破口,一定出現在納米制造領域,例如自組裝、生物模版、原子層次 3D 打印等等。

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