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新突破！南京大学余林蔚教授NML：基于可生长集成纳米线沟道的高性能GAA-FET器件问世

微算云平台 · 公众号 · · 2025-02-24 08:30

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随着半导体技术的不断发展，芯片制造工艺逐渐逼近物理极限。为了满足未来高性能计算和3D集成的需求，科学家们正在积极探索新型晶体管架构。近日，南京大学余林蔚教授团队在《Nano-Micro Letters》上发表了一篇重要论文，报道了他们在高性能环绕栅极场效应晶体管（Gate-All-Around Field-Effect Transistors, GAA-FETs）领域的突破性进展。这项研究首次实现了基于催化生长硅纳米线（SiNW）沟道的高性能GAA-FET器件，为下一代半导体技术开辟了全新路径。

创新技术

催化生长硅纳米线与GAA架构的完美结合

传统的GAA-FET通常依赖于昂贵且复杂的EUV（极紫外光刻）或EBL（电子束光刻）技术来定义超细硅通道。然而，这些方法不仅成本高昂，还对制造工艺提出了极高的要求。相比之下，催化生长硅纳米线技术以其低温度、高产量和易于集成的特点，成为一种极具潜力的替代方案。

在这项研究中，南京大学团队采用了一种自主创新的“平面固液固”（In-Plane Solid-Liquid-Solid, IPSLS）生长机制，在绝缘衬底上直接生长有序排列的超细硅纳米线阵列。这些纳米线具有直径均匀（D _NW = 22.4 ± 2.4 nm）和紧密间距（90 nm）的特点，非常适合用于构建高性能GAA-FET器件。

研究人员开发了一种特殊的悬空接触策略，成功固定并释放了这些超细硅纳米线作为准一维沟道材料。通过优化源/漏金属接触工艺，他们最终制备出高性能GAA-FET器件，其开关比（I _on /I _off ）达到了10⁷，亚阈值摆幅（SS）仅为66 mV/dec，接近理论极限值（60 mV/dec）。这一成果标志着催化生长硅纳米线首次在GAA-FET领域展现出与先进自上而下制造工艺相当的性能水平。

技术亮点

解决关键挑战

此次研究解决了催化生长硅纳米线应用于GAA-FET的几个核心难题：

1. **精确控制纳米线尺寸与位置**

研究团队利用原始创新的IPSLS纳米线生长机制，通过调整催化剂厚度和沉积条件，实现了对硅纳米线直径的高度可控性。这种精准控制使得纳米线能够适应制备GAA-FET器件严格的形貌控制需求。

2. **可靠悬空释放技术**

团队开发了一种温和的化学蚀刻方法，成功将硅纳米线从牺牲层上释放出来，形成稳定的悬空结构。这种方法避免了传统超临界释放技术的复杂性和潜在损伤。

3. **优化源/漏接触**

在选择合适的源/漏接触金属时，研究团队发现铂（Pt）/金（Au）电极组合显著优于钛（Ti）/金（Au），可大幅降低接触电阻并提高驱动电流。实验表明，Pt/Au接触的GAA-FET表现出接近欧姆接触的行为，从而提升了整体器件性能。

应用前景

推动3D集成与高性能计算

催化生长硅纳米线GAA-FET的成功实现，不仅填补了高性能FET领域的技术空白，也为未来的单片3D集成电子学提供了强有力的支持。由于该技术无需依赖预先存在的单晶硅晶圆，且可在低温条件下完成，因此特别适合于堆叠式3D集成电路的设计与制造。此外，其优异的电学性能使其成为构建高效能计算系统的关键组件之一。

这项技术的优势在于，它能够在降低成本的同时保持高性能，这对于大规模量产至关重要。相比传统工艺，催化生长硅纳米线GAA-FET具有更高的灵活性和兼容性，能够更好地融入现有制造流程。

总结展望

南京大学团队的这一研究成果展示了催化生长硅纳米线在高性能GAA-FET领域的巨大潜力，为下一代半导体技术的发展奠定了坚实基础。正如论文作者所言：“我们的工作证明，即使不依赖尖端的EUV或EBL光刻技术，催化生长硅纳米线也能实现与之媲美的高性能GAA-FET。”

图1 硅纳米线GAA-FET制备流程图及悬空纳米线SEM图片。

图2 GAA-FET结构表征。

图3 GAA-FET电学性能。

该工作近期以“High-performance gate-all-around field effect transistors based on orderly arrays of catalytic Si nanowire channels”为题发表在 Nano-Micro Letters 《纳微快报》期刊上。文章通讯作者为南京大学电子科学与工程学院余林蔚教授，第一作者为博士生廖巍。该工作的开展得到了南京大学陈坤基教授、徐骏教授、施毅教授、王军转教授的支持和指导，受到国家重点研发计划、国家自然科学基金杰出青年学者项目以及国家自然科学基金重点项目的资助。

文献信息

https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-025-01674-8.

课题组近期相关工作：

1. Step-necking growth of silicon nanowire channels for high performance field effect transistors, Lei Wu, Zhiyan Hu, Lei Liang, Ruijin Hu ^⁎ , Junzhuan Wang ^⁎ , Linwei Yu ^⁎ , Nature Communications , 2025, 16(1): 965.

2. 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.

3. Lorentz Force-Actuated Bidirectional Nanoelectromechanical Switch with an Ultralow Operation Voltage, Dianlun Li, Jiang Yan, Ying Zhang, Junzhuan Wang ^⁎ , Linwei Yu ^⁎ , Nano Letters , 2024, 24(37): 11403-11410.

4. 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).

5. 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.

课题组简介 ： https://ese.nju.edu.cn/ylw

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