器件示意图

目前，由于短沟道效应，5 nm以下的硅基场效应晶体管的制造是非常困难的。当沟道不断变小，降低到数个纳米时，CMOS器件不仅受制造工艺的限制，还受到一些基本物理原理（例如隧穿效应等）的限制而无法正常工作。为了突破晶体管的尺寸限制，研究人员探索研究了基于碳纳米管、半导体纳米线以及二维过渡金属化合物等材料的场效应晶体管，但这些器件的工作仍然依赖于外部栅极电压的调控机制。如果无法突破该瓶颈，可能意味着摩尔定律的终结。
      王中林院士于2006年首次提出一种利用完全不同于传统CMOS器件工作原理的新型晶体管-压电电子学晶体管(Piezotronic transistor)，利用金属-压电半导体界面处产生的压电极化束缚电荷(产生压电电势)作为“栅极电压”来调控晶体管中载流子的输运特性。这种压电电子学效应已经在具有纤锌矿结构的压电半导体材料中得到了广泛证实。这种利用界面调控替代传统外部沟道调控的两端结构晶体管，有可能打破沟道宽度的限制。

基于二维氧化锌的超薄压电电子学晶体管

为了探索这种突破局限的可能性，在西电先进材料与纳米科技学院名誉院长、中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长王中林院士与我校秦勇教授的共同指导下，王龙飞博士和博士生刘书海等研究成员通过深入研究二维超薄氧化锌面外压电特性，成功地制备出一种新型的、沟道只有~2 nm的超薄氧化锌压电电子学晶体管，并且,首次将压电电子学效应引入到二维超薄非层状压电半导体中。

超薄氧化锌压电电子学晶体管的电学输运特性

该项工作利用金属-半导体界面处产生的压电极化电荷（即可以产生垂直于平面方向上的压电电势）作为栅极电压有效地调控了该器件的载流子输运特性，并且通过将两个超薄压电电子学晶体管串联实现了简易的压力调控的逻辑电路。这项研究证实了压电极化电荷在超窄沟道中“门控”效应的有效性，该器件不需要外部栅电极或任何其它在纳米级长度下具有挑战性的图案化工艺设计。这项研究成果首次证实了压电电子学效应在超窄沟道中的有效性，为新型压电电子学晶体管的研究提供了思路，拓宽了压电电子学的研究领域，同时也开辟了二维非层状压电材料的压电特性的研究。这项研究成果在智能皮肤、人机界面和纳米机电系统等领域具有潜在的广阔应用前景。

压力调控的OR逻辑电路

文献链接：Ultrathin Piezotronic Transistors with 2 nm Channel Lengths (ACS Nano, 2018, DOI:10.1021/acsnano.8b01957)