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郭雪峰课题组在CMOS兼容的单分子场效应晶体管研究方面获得重要进展

纵观过去的半个多世纪,信息工业的快速发展依赖于硅基电子器件的不断微型集成。当7nm和5nm节点的芯片已经商用,3nm甚至1nm制程已经接近极限的情况下,摩尔定律似乎已经开始走向终点。因此,发展新机制、新材料和新器件已经成为半导体行业的下一个转折点。其中,利用单个分子构建电子电路元器件得到了广泛的关注,是电子器件微小化发展的终极目标。首先,单分子器件可以使得器件的导电沟道真正达到1nm左右水平,有望实现器件集成度的最大化。其次,引入功能性单分子去构建多功能的单分子器件也是未来半导体行业的重要发展趋势之一。在单分子器件的平台上引入栅极实现单分子场效应晶体管,关键的巨大挑战是如何克服长期存在的短沟道效应,如何在单分子水平上实现栅极对分子轨道能级的有效调控,从而实现高的开关比。近日,北京大学化学与分子工程学院郭雪峰教授课题组联合中国科学院物理研究所孟胜研究员课题组、加拿大麦吉尔大学郭鸿教授课题组和法国雷恩大学Stéphane Rigaut教授课题组,首次在石墨烯基单分子器件的基础上构建了超薄高k的介电层,实现了栅压对单分子器件电导的有效调控,成功研制了CMOS兼容的高性能单分子场效应晶体管(图1)。

图1. 单分子场效应晶体管的结构示意图

在前期工作中,郭雪峰课题组已经在单分子器件平台的基础上引入新型离子液体栅,研究了单分子对栅压的响应规律,构建了具有多种功能的单分子器件(Angew. Chem. Int. Ed. 2018,57,14026; J. Am. Chem. Soc. 2021,143, 20811;Sci. Adv. 2022, in press)。此次他们开发了新的技术平台,在石墨烯基单分子器件的基础上首次引入了CMOS兼容的固态栅,结构上更接近传统的场效应晶体管。如图1所示,他们先沉积金属铝作为固态栅的栅极材料,金属铝表面自然氧化的氧化铝以及用溶胶凝胶法制备的氧化铪共同组成了超薄的介电层,总厚度约为10nm,一定程度上克服了短沟道效应。同时,氧化铝与氧化铪的组成避免了后续的工艺对介电层的破坏,抑制了栅极的漏电现象,在单分子水平上提高了场效应晶体管的性能。

6年前,他们利用二芳烯分子实现了在单分子器件平台上监测光致异构引起的开关效应(Science 2016,352, 1443)。在持续的可见光和紫外光的交替照射下,分子呈现了高低电导的交替变换。电导的变化反映出分子在不同波长的光照条件下发生了结构的变化。在此次研究中,他们与合作者设计合成了具备二芳烯光致异构官能团的钌配位化合物(Ru-DAE),其中二芳烯单元在不同波长的光照条件下也可以实现开环与关环的转换。他们将此分子引入固态栅的单分子器件,不仅重现了可逆的开关环反应,验证了单分子开关效应的可靠性,同时还发现,二芳烯开关环的两种状态在栅极电压下的电学性质存在明显差异。因此,引入二芳烯官能团,可以揭示栅压对同一分子的不同结构导电性的调控能力和机制,同时在同一器件上实现了光调控与栅调控两种手段。

如图2所示,二芳烯在开环状态下(Ru-oDAE),分子处于弱共轭状态。零栅压下,导电性能差,实现了对关态电流的有效控制。由于HOMO的位置靠近石墨烯费米能级,在小的栅压下,分子的HOMO轨道进入导电窗口,分子的电导迅速增加。与零栅压时的电导相比,开关比可高达104。而在关环状态下,分子处于高共轭状态。零栅压时分子的电导就已经比较高,所以栅压下分子电导的变化与开环状态相比偏小,导致开关比下降。该工作首次在石墨烯基单分子平台引入了超薄高k的固态栅,并且通过具有光响应的二芳烯官能团,研究了在同一器件上栅压对不同分子结构的调控能力,为进一步设计功能化的分子器件提供了崭新的思路和理论指导。

图2. a.二芳烯分子开环(RU-oDAE)与关环(RU-cDAE)状态下的透射谱;b. 不同栅压下开环分子的ID-VD特性曲线;c. 栅压下分子轨道能级的变化

该研究成果以“”为题于3月17号发表在Nature Communications上。郭雪峰、孟胜、郭鸿和Stéphane Rigaut为该工作的共同通讯作者,文章的共同第一作者分别是在北京大学化学与分子工程学院合作培养的中科院物理所博士生孟利楠、郭雪峰课题组博士生辛娜、在北京大学化学与分子工程学院合作培养的南开大学博士生张苗、郭鸿课题组博士生胡晨和Stéphane Rigaut课题组博士生Hassan Al Sabea。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、北京市科委和北京大学等支持。

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