基于台阶诱导颈缩生长的超薄硅纳米线短沟道高性能场效应晶体管研究

本研究针对大面积电子器件中难以制备超薄短沟道硅纳米线(SiNW)的难题，创新性地提出了一种基于局部曲率调控的催化生长策略。研究人员通过台阶引导的平面硅纳米线跳跃生长动力学，成功制备出中间颈缩段<100 nm、直径从45 nm缩减至<25 nm的"厚-薄-厚"结构SiNW沟道。所构建的台阶颈缩SiNW场效应晶体管(FET)展现出优异性能：开关电流比Ion/Ioff>8×107，亚阈值摆幅(SS)低至70 mV/dec，为高性能大面积显示器和传感器提供了新型沟道材料制备方案。

　　

在现代半导体工业中，制造高性能场效应晶体管(FET)始终面临一个根本性挑战：如何同时实现沟道尺寸的极致缩小和优异的静电控制能力。传统光刻技术虽然能制备超薄硅纳米线(SiNW)沟道，但对于大面积的柔性电子器件而言，其高昂成本和复杂工艺成为难以逾越的技术壁垒。特别是在显示器和传感器等应用场景中，既需要沟道直径<30 nm以获得强静电控制，又要求沟道长度<100 nm来提升驱动电流，这对传统制备方法提出了近乎苛刻的要求。

针对这一技术瓶颈，南京大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究。他们巧妙地利用金属液滴催化生长过程中的局部曲率调控，开发出"台阶颈缩生长"新方法，成功实现了超薄短沟道SiNW的可控制备。这项研究不仅为大面积电子器件提供了一种低成本解决方案，更开创了催化生长作为确定性纳米加工工具的新范式。

研究人员采用三个关键技术方法：首先通过交替的刻蚀-氧化工艺构建具有特定曲率的引导台阶；其次利用固体-液体-固体(IPSLS)平面生长机制，以铟(In)液滴为催化剂引导硅纳米线生长；最后通过精确调控台阶高度和液滴尺寸，实现沟道颈缩段的尺寸控制。特别值得注意的是，所有工艺温度均控制在500℃以下，完全兼容玻璃/聚合物等柔性衬底。

【台阶引导与IPSLS生长过程】

研究团队在SiO₂/Si衬底上构建了多级引导台阶结构，通过控制铟液滴在台阶边缘的跳跃动力学，实现了硅纳米线的定向生长。当液滴跨越高度约100 nm的台阶时，其前缘经历显著拉伸，在曲率半径R_b≈35 nm的凸角处形成颈缩。理论分析表明，颈缩段直径D_nw与平面生长直径D_nw^flat的关系符合D_nw～D_nw^flat/(1+R_c/R_bcosθ)，其中R_c为液滴半径，θ为接触角。

【台阶颈缩动力学的参数调控】

实验发现液滴尺寸和台阶高度是控制颈缩比(NR=D_neck/D_nw)的关键参数。当铟液滴半径R_c从30 nm增至60 nm时，NR从70%降至47%；而台阶高度从120 nm降至50 nm时，NR则从30%回升至70%。这种精确调控能力使得研究人员能够制备出中间段直径22±5 nm、长度<100 nm的理想沟道结构，两端保持45 nm直径作为源漏接触区。

【器件性能表征与模拟分析】

与均匀沟道FET相比，台阶颈缩FET(NK-FET)展现出显著优势：亚阈值摆幅从202 mV/dec(THK-FET)和133 mV/dec(THN-FET)降至70 mV/dec，开关比提升至8×10⁷。TCAD模拟揭示这种改进源于颈缩段的完全耗尽和厚端部的低接触电阻。特别值得注意的是，所有器件仅采用3μm分辨率光刻制备，突破了传统短沟道器件对高精度光刻的依赖。

这项研究通过创新的台阶颈缩生长策略，实现了三个重要突破：首先，将催化生长从简单的纳米线制备提升为精确的纳米结构加工工具，能够可控制备厚-薄-厚沟道结构；其次，仅通过常规光刻就实现了等效100 nm短沟道FET的制备，打破了对极紫外光刻的依赖；最后，所有工艺温度低于500℃，完全兼容柔性电子的大面积制造需求。

从更广阔的视角看，这项研究为后摩尔时代半导体器件的发展提供了新思路。通过巧妙利用纳米尺度下的液滴动力学，将传统视为"自下而上"的催化生长方法与"自上而下"的器件工程需求完美结合。特别是将沟道尺寸控制与源漏接触优化集成在单步生长过程中，避免了复杂的外延再生工艺，这对未来大面积柔性电子、显示驱动和传感器阵列的发展具有重要意义。正如研究者指出的，这种方法只需增加一个简单的台阶刻蚀步骤，就能显著提升器件性能，在成本与性能之间实现了近乎完美的平衡。