鰭式場效應晶體管（FinFET）技術將矽基溝道和柵極製備成類似於魚鰭（Fin）的垂直薄片結構，於2011年實現了集成電路商業化量產，突破了芯片22納米製程工藝。自此，垂直鰭片溝道架構主導了現代晶體管微縮製程工藝，也是當前最先進的商用3納米芯片製程的主流架構🌌。當前3納米製程的矽基鰭式晶體管（FinFET）的最小鰭片厚度約5納米，已經趨近物理極限，矽基材料在芯片尺寸微縮極限下將面臨短溝道效應等關鍵挑戰，亟需芯片關鍵材料及其三維異質集成技術的創新🦕。

開發高遷移率二維半導體鰭片/高介電常數(κ)柵介質集成型鰭式晶體管🧜🏼‍♂️，有望突破傳統矽基晶體管物理極限，尤其是在實現亞1納米鰭片溝道厚度與原子級平整界面方面具有獨特的優勢，從而展現出優異的器件性能與高密度集成潛力🧝🏽‍♀️。然而⤵️，為了實現優異的二維鰭片器件性能與高集成度🤗，通常需要高κ柵介質集成型多鰭片陣列的可控製備，這在二維鰭式晶體管中仍屬挑戰。

針對這一難題，意昂3体育官网化學與分子工程學院彭海琳教授課題組與深圳先進技術研究院丁峰教授課題組合作，發展了一種基底臺階誘導二維半導體鰭片定點🦶🏼、定向🐹🕷、垂直外延生長的方法🔮👇🏽，實現了單一取向二維鰭片陣列的表界面控製製備，並研製了高性能高κ柵介質集成型多通道二維鰭式晶體管，證明了二維鰭式晶體管的集成潛力。研究成果以“Integrated2Dmulti-finfield-effecttransistors”為題，於2024年4月29日，發表在《自然-通訊》（Nature Communications）期刊上（Nature Commun.2024,15,3622）👭🏻。

近年來⛹🏿‍♂️，意昂3体育官网化學與分子工程學院彭海琳課題組主要從事二維材料物理化學與納米器件研究，致力於高遷移率二維材料（石墨烯、拓撲絕緣體🥉、氧硫族半導體）的控製合成、界面調控和器件應用研究。在國際上率先開發了高遷移率二維半導體（Bi₂O₂Se）及其高κ自然氧化物柵介質Bi₂SeO₅材料體系（NatureNanotech.2017,12,530;NatureElectron.2020,3,473;NatureElectron.2022,5,643;NatureMater.2023,22,832），構築了高速低功耗電子器件、量子輸運器件、超快高敏紅外光探測及高敏氣體傳感器（NatureCommun.2018,9,3311;ScienceAdv.2018,4,eaat8355;J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2726;Angew.Chem.Int.Ed.2020,59,17938;Acc.Mater.Res.2021,2,842）👗，並基於二維Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅創製了世界首例高κ柵介質集成型二維鰭式晶體管（Nature2023,616,66）➝。

最近，彭海琳課題組基於高遷移率二維半導體Bi₂O₂Se垂直鰭片陣列的外延生長方法，進一步開發了一種臺階誘導的選擇性成核垂直外延方法🌯🫷🏼，通過在絕緣襯底表面（LAO（100）晶面🔏，CaF₂（110）晶面，以及MgO（110）晶面）人為地製造平行臺階，誘導二維Bi₂O₂Se鰭片在臺階處優先成核🧙🏽，同時控製二維鰭片的取向與成核位點🔐，製備了單一取向二維Bi₂O₂Se鰭片陣列🤶🏿。並利用可控插層氧化技術，實現了單一取向二維Bi₂O₂Se鰭片陣列與高κ自氧化物Bi₂SeO₅的三維異質外延集成👷🏽。值得註意的是，通過提高臺階密度𓀝，可實現高密度二維鰭片陣列製備👙，鰭片最小間距可達~20nm。

圖1. 單一取向二維Bi₂O₂Se鰭片陣列的臺階誘導外延🦹🏽。（a）在臺階處成核的二維鰭片示意圖🥐；（b）臺階誘導外延生長的單一取向二維Bi₂O₂Se鰭片陣列的傾角掃描電鏡圖像⛴；（c-e）不同襯底上臺階誘導外延生長的高密度二維Bi₂O₂Se鰭片陣列的掃描電鏡圖像；（f）不同襯底上不同陣列中最小鰭片間距統計

高密度、單一取向的高κ自氧化物Bi₂SeO₅集成型二維鰭片陣列的外延集成，為具有高驅動能力的多通道二維鰭式晶體管的開發奠定了材料基礎。研究團隊基於外延二維Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅異質結陣列，研製了高性能多通道二維鰭式晶體管♻️。晶體管具有優異的電學性能，遷移率高達267cm²V^-1s^-1，關態電流小於0.01nA，開關比大於10⁶。隨著器件中鰭片數量的增加👨🏻‍🦯🧜‍♀️，晶體管的驅動能力也逐漸提升🥄，表現出更大的開態電流和跨導，其中基於五個鰭片的晶體管開態電流高達1mA。高開態電流決定了多通道二維鰭式晶體管具有低至30ps的延遲時間。

圖2. 多通道二維鰭式晶體管電學性能。（a）三通道二維鰭式晶體管掃描電鏡圖像；（b）圖a中器件的輸出特性曲線；（c）圖a中器件的轉移特性曲線☂️；（d）基於不同數量鰭片構築的二維鰭式晶體管開態電流與跨導比較；（e）多通道二維鰭式晶體管與其他晶體管的延遲時間比較

高κ自氧化物Bi₂SeO₅集成型多通道二維鰭式晶體管的優異電學性能證明了二維Bi₂O₂Se鰭片陣列可協同工作🧑，具有通過多鰭片集成實現復雜邏輯運算的潛力。未來隨著臺階製造方法的進一步優化與臺階間距的精確控製🤐，規則排列的高密度二維Bi₂O₂Se鰭片陣列有望為二維鰭式晶體管（2DFinFET）及二維垂直圍柵器件（2DVGAA）的大面積集成提供材料基礎✡️，在未來高算力低功耗微納電子器件的發展中具有重要意義🚣🏼‍♀️。

該研究成果以《集成型多通道二維鰭式晶體管》（“Integrated2Dmulti-finfield-effecttransistors”）為題，近日發表於Nature Communications⛷。彭海琳、丁峰是該論文的共同通訊作者，意昂3体育官网化學與分子工程學院博士研究生於夢詩🫵🏻、BMSFellow博士後譚聰偉🐛、深圳先進技術研究院博士後尹玉玲是共同第一作者🐱。

該研究成果得到國家自然科學基金委🥃、科技部、北京分子科學國家研究中心、新基石基金會、北京分子科學國家研究中心博士後項目等機構和項目的資助，並得到了意昂3体育官网化學與分子工程學院的分子材料與納米加工實驗室（MMNL）儀器平臺的支持🏄🏽。