具有高開關(guān)比、低亞閾值擺幅的高性能薄膜晶體管 (TFT)器件，是開拓新一代大面積高清顯示、柔性電子/傳感和腦機(jī)接口應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。其中，超細(xì)、超短晶硅納米線溝道，由于具有良好的柵控和大電流驅(qū)動(dòng)能力，成為構(gòu)建高性能TFT器件的理想結(jié)構(gòu)。雖然此類精細(xì)溝道結(jié)構(gòu)在“微”電子器件工藝中已成為主流，但卻依賴在硅晶圓上的超高精度深紫外/極紫外光刻 (D/EUV)和刻蝕技術(shù)，因此無法在大面積“宏”電子器件的大尺寸玻璃或聚合物襯底上應(yīng)用。如何基于有限的熱預(yù)算(<500℃)和較低的光刻精度(>1.5 μm)，集成制備直徑小于30 nm、長度小于100 nm的精細(xì)納米溝道，成為開拓新一代高性能TFT器件所面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
針對這一挑戰(zhàn)，南京大學(xué)余林蔚教授、王軍轉(zhuǎn)教授和揚(yáng)州大學(xué)胡瑞金老師，基于自主創(chuàng)新的面內(nèi)固-液-固(IPSLS) 納米線生長模式，首次提出利用催化“液滴階跳”生長動(dòng)態(tài)，成功實(shí)現(xiàn)超細(xì)、超短晶硅納米線溝道陣列的可靠集成制備。具體而言，基于IPSLS生長模式的低溫定位生長(<350℃)能力，將催化液滴精確引導(dǎo)生長到跳躍交叉臺(tái)階邊緣，通過控制柔性液滴跨越臺(tái)階的“Step-Necking收縮”效應(yīng)，在臺(tái)階邊緣一步成形地生長出所需的Thick(45nm)/Thin(25nm)/Thick(45nm)超精細(xì)溝道結(jié)構(gòu)，其中超細(xì)溝道長度僅為Lg~90 nm，并且在兩端粗線提供了自然的理想S/D接觸—完全類似于與先進(jìn)鰭柵晶體管 (Fin-FET) 中理想溝道和S/D接觸架構(gòu)。
圖1 頸縮生長硅納米線陣列原理及流程以及硅納米線陣列形貌及其直徑統(tǒng)計(jì)。
受益于此，Step-Necking 納米線TFT器件展示了優(yōu)異的柵控效果和大幅改善的輸運(yùn)特性，實(shí)現(xiàn)了
8×107高開關(guān)比和亞閾值擺幅僅為SS=70 mV/dec的高性能晶體管TFT器件?；诖恕耙旱坞A躍”所帶來的精細(xì)溝道制備策略，可以將最前沿的“微電子”器件的微納器件結(jié)構(gòu)和優(yōu)異輸運(yùn)特性“直接植入”到大面積“宏電子”領(lǐng)域，為打造新一代高性能顯示驅(qū)動(dòng)邏輯、柔性傳感和腦機(jī)接口等新興應(yīng)用，開辟一條高性能晶硅器件集成制備技術(shù)新路徑！
圖2 基于頸縮硅納米線的高性能晶體管器件。
該工作近期以“Step-necking growth of silicon nanowire channels for high performance field effect transistors”為題發(fā)表在自然-通訊《Nature Communications》期刊上。文章第一作者為南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院的博士生吳磊，余林蔚教授、胡瑞金老師、王軍轉(zhuǎn)教授為文章共同通訊作者。該工作的開展得到了南京大學(xué)陳坤基教授、徐駿教授、施毅教授支持和指導(dǎo)，受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金杰出青年學(xué)者項(xiàng)目以及國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。
論文信息：
Step-necking growth of silicon nanowire channels for high performance field effect transistors. Lei Wu, Zhiyan Hu, Lei Liang, Ruijin Hu*, Junzhuan Wang*, and Linwei Yu*.
Nature Communications 16, 965 (2025)
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56376-x
前期相關(guān)工作：
1. Channel-bias-controlled reconfigurable silicon nanowire transistors via an asymmetric electrode contact strategy. Wentao Qian, Junzhuan Wang*, Jun Xu, Linwei Yu*. Chip. 2024, 3(3), 100098.
2. Ultracompact single-nanowire-morphed grippers driven by vectorial Lorentz forces for dexterous robotic manipulations, Jiang Yan, Ying Zhang, Zongguang Liu*, Junzhuan Wang, Jun Xu and Linwei Yu*, Nature Communications 14, 3786 (2023)
3. Highly Stretchable High-Performance Silicon Nanowire Field Effect Transistors Integrated on Elastomer Substrates. Xiaopan Song, Ting Zhang, Lei Wu, Ruijin Hu, Wentao Qian, Zongguang Liu*, Junzhuan Wang, Yi Shi, Jun Xu, Kunji Chen, and Linwei Yu*. Advanced Science. 2022, 2105623.
4. Unprecedented Uniform 3D Growth Integration of 10-Layer Stacked Si Nanowires on Tightly Confined Sidewall Grooves. Ruijin Hu, Shun Xu, Junzhuan Wang*, Yi Shi, Jun Xu, Kunji Chen, and Linwei Yu*. Nano Letters, 2020, 20 (10), 7489-7497.
5. An in-plane solid-liquid-solid growth mode for self-avoiding lateral silicon nanowires
Linwei Yu,* Pierre-Jean Alet, Gennaro Picardi and Pere Roca i Cabarrocas, Physical Review Letters, 102, 125501 (2009)
課題組簡介：https://ese.nju.edu.cn/ylw
English
