納米管封裝助力最小納米線晶體管誕生

【引言】

芯片技術高速集成化使得摩爾定律的發展遭遇到物理法則的限制。7nm之后，構成電路的最基本單元-場效應晶體管的特征尺寸很難進一步減小，溝道中的載流子濃度不能受到柵極電壓的有效調控，導致器件的開關性能顯著下降。納米線環柵晶體管為7nm以下晶體管的發展提供了很好解決方案，絕緣材料和金屬柵極均勻的包覆在半導體納米線的四周形成柵極結構，從而使得柵極對溝道的靜電控制能力顯著增加。該技術的獨特之處在在于半導體納米線結構的形成，業界常用的器件中納米線溝道是由硅材料制成的，使用自上而下的刻蝕工藝制備，其最小尺寸在10到20納米之間，因此迫切的需要開發新型材料和結構進一步突破晶體管的尺寸限制。

普渡大學(Purdue University)的Peter Ye研究團隊發現一種具有很高載流子遷移率(~1000 cm²/Vs)稀土元素納米材料碲(Te)，將這種材料封裝在氮化硼制成的納米管中，可以制造直徑僅為2nm的場效應晶體管器件。這項研究發表在了《自然-電子學》雜志上，密歇根理工大學(Michigan Technological University)、華盛頓大學圣路易斯分校(Washington University in St. Louis)和德克薩斯大學達拉斯分校(University of Texas at Dallas)合作完成了這項研究。

【成果介紹】

晶體Te具有獨特的類似一維DNA螺旋晶體結構，Te原子通過化學鍵結合形成一維原子鏈，這些原子鏈在另外兩個維度擴展通過弱范德華力吸引形成晶體。理論上一維DNA形狀單原子線是穩定存在的最小單元，但是原子線很容易氧化，不能穩定存在。通過使用碳納米管作為封裝模板，通過控制碳納米管的內徑，可以成功得到了具有不同鏈數的一維Te原子線，碳納米管封裝對一維Te原子線晶體實現了很好的保護，使其在空氣環境中具有很好的穩定性。

納米線環柵晶體管需要絕緣介電層對半導體納米線進行包覆，而碳納米管良好的導電性顯然并不適用。研究者們采用具有良好介電性能的氮化硼納米管作為包覆模板，采用同樣的工藝得到了直徑為2-10 nm的Te原子線。由于Te優異的載流子遷移特性和氮化硼極高的熱導率，Te原子線的電流承載強度達到了驚人的1.5×10⁸ A/cm²，該數值遠超過了現有商用的半導體材料。采用這種一維Te原子線制備了內徑只有2nm的納米線場效應晶體管器件，該器件具有優異的電學傳輸性能，并且通過表面原子層沉積Al₂O₃層，其載流子傳輸類型能夠得到有效的調控。

圖 1. 一維Te原子線的晶格表征及晶體管性能

a, 封裝在0.8nm碳納米管中單原子Te原子線的HAADF-STEM 表征; b-e, 單鏈、雙鏈、三鏈和19鏈Te原子線的HRTEM表征; f, Te原子線晶體管示意圖; g-h, 器件的開關比、開態電流和載流子遷移率與原子線內徑的對應關系

氮化硼封裝為尺寸更小的納米線晶體管器件提供了完美的解決方案，而且這種工藝同樣適用于其他具有一維形態半導體納米材料的封裝，為后摩爾時代新型邏輯器件尤其是納米線環柵晶體管的開發提供了新的思路。

【文獻地址】

Jing-Kai Qin, Pai-Ying Liao, Peide Ye. et al. Raman Response and Transport Properties of one-dimensional van der Waals Tellurium Nanowires Encapsulated in Nanotubes. Nature Electronics. DOI: 10.1038/s41928-020-0365-4. Pub Date: 2020-02-10