由于短溝道效應(yīng)，Sub-5 nm硅(Si)基場效應(yīng)晶體管的制造是非常困難的。隨著溝道長度的減小，CMOS器件不僅受到小尺寸的制造技術(shù)的限制，而且還受到一些基本的物理學(xué)原理如漏電場、電介質(zhì)的擊穿等限制。為了突破5納米節(jié)點(diǎn)晶體管的限制，研究人員探索研究了基于碳納米管、半導(dǎo)體納米線以及二維過渡金屬化合物等材料的場效應(yīng)晶體管，但這些器件的工作仍然依賴于外部柵極電壓的調(diào)控機(jī)制。如果這種情況不能繼續(xù)下去，這可能意味著摩爾定律的終結(jié)。

中國科學(xué)院外籍院士、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學(xué)家王中林，于2006年利用氧化鋅納米線受應(yīng)力時，產(chǎn)生的壓電電勢來調(diào)控場效應(yīng)晶體管的載流子輸運(yùn)特性，即后來所說的壓電電子學(xué)晶體管，并且首次提出了壓電電子學(xué)的概念。壓電電子學(xué)晶體管是一種利用完全不同于傳統(tǒng)CMOS器件工作原理的新型器件。這種器件利用金屬-壓電半導(dǎo)體界面處產(chǎn)生的壓電極化電荷(即壓電電勢)，作為柵極電壓來調(diào)控晶體管中載流子的輸運(yùn)特性，并且已經(jīng)在具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的壓電半導(dǎo)體材料中得到了廣泛證實(shí)。這種具有二端結(jié)構(gòu)的晶體管不僅創(chuàng)新地利用界面調(diào)控替代了傳統(tǒng)的外部溝道調(diào)控，并且有可能打破溝道寬度的限制。

近日，在王中林和西安電子科技大學(xué)教授秦勇的指導(dǎo)下，王龍飛、劉書海和殷鑫等制備了一種新型的、溝道只有~2 nm的超薄氧化鋅壓電電子學(xué)晶體管，首次將壓電電子學(xué)效應(yīng)引入到二維超薄非層狀壓電半導(dǎo)體材料中。該工作系統(tǒng)地研究了二維超薄氧化鋅垂直方向上的壓電特性，利用金屬-半導(dǎo)體界面處產(chǎn)生的壓電極化電荷（即垂直方向上的壓電電勢）作為柵極電壓有效地調(diào)控了該器件的載流子輸運(yùn)特性，并且通過將兩個超薄壓電電子學(xué)晶體管串聯(lián)實(shí)現(xiàn)了簡易的壓力調(diào)控的邏輯電路。這項(xiàng)研究證實(shí)了壓電極化電荷在超短溝道中“門控”效應(yīng)的有效性，該器件不需要外部柵電極或任何其它在納米級長度下具有挑戰(zhàn)性的圖案化工藝設(shè)計(jì)。這項(xiàng)研究成果開辟了壓電電子學(xué)效應(yīng)在二維非層狀壓電半導(dǎo)體材料的研究，并且在人機(jī)界面、能源收集和納米機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

相關(guān)研究成果以Ultrathin Piezotronic Transistors with 2 nm Channel Lengths 為題發(fā)表在ACS Nano上 (DOI: 10.1021/acsnano.8b01957)。