具有高開關比、液滴階躍低亞閾值擺幅的南京高性能薄膜晶體管?(TFT)器件，是大學隊基開拓新一代大面積高清顯示、柔性電子/傳感和腦機接口應用的余林于生技術關鍵。其中，蔚教超細、授團超短晶硅納米線溝道，長動由于具有良好的靠制柵控和大電流驅動能力，成為構建高性能TFT器件的備超理想結構。雖然此類精細溝道結構在“微”電子器件工藝中已成為主流，液滴階躍但卻依賴在硅晶圓上的南京超高精度深紫外/極紫外光刻 (D/EUV)和刻蝕技術，因此無法在大面積“宏”電子器件的大學隊基大尺寸玻璃或聚合物襯底上應用。如何基于有限的余林于生熱預算(<500℃)和較低的光刻精度(>1.5 μm)，集成制備直徑小于30 nm、蔚教長度小于100 nm的授團精細納米溝道，成為開拓新一代高性能TFT器件所面臨的關鍵技術瓶頸。
針對這一挑戰，南京大學余林蔚教授、王軍轉教授和揚州大學胡瑞金老師團隊，基于自主創新的面內固-液-固(IPSLS) 納米線生長模式，首次提出利用催化“液滴階跳”生長動態，成功實現超細、超短晶硅納米線溝道陣列的可靠集成制備。具體而言，基于IPSLS生長模式的低溫定位生長(<350℃)能力，將催化液滴精確引導生長到跳躍交叉臺階邊緣，通過控制柔性液滴跨越臺階的“Step-Necking收縮”效應，在臺階邊緣一步成形地生長出所需的Thick(45nm)/Thin(25nm)/Thick(45nm)超精細溝道結構，其中超細溝道長度僅為Lg~90 nm，并且在兩端粗線提供了自然的理想S/D接觸—完全類似于與先進鰭柵晶體管 (Fin-FET) 中理想溝道和S/D接觸架構。
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圖1 頸縮生長硅納米線陣列原理及流程。
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圖2 硅納米線陣列形貌及其直徑統計。
受益于此，Step-Necking?納米線TFT器件展示了優異的柵控效果和大幅改善的輸運特性，實現了8×107高開關比和亞閾值擺幅僅為SS=70 mV/dec的高性能晶體管TFT器件。基于此“液滴階躍”所帶來的精細溝道制備策略，可以將最前沿的“微電子”器件的微納器件結構和優異輸運特性“直接植入”到大面積“宏電子”領域，為打造新一代高性能顯示驅動邏輯、柔性傳感和腦機接口等新興應用，開辟一條高性能晶硅器件集成制備技術新路徑！
該工作近期以“Step-necking growth of silicon nanowire channels for high performance field effect transistors”為題發表在自然-通訊《Nature Communications》期刊上。文章第一作者為南京大學電子科學與工程學院的博士生吳磊，余林蔚教授、胡瑞金老師、王軍轉教授為文章共同通訊作者。該工作的開展得到了南京大學陳坤基教授、徐駿教授、施毅教授支持和指導，受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金杰出青年學者項目以及國家自然科學基金重點項目的資助。
圖文解讀：?
圖3 基于頸縮硅納米線的高性能晶體管器件。
論文信息：
Step-necking growth of silicon nanowire channels for high performance field effect transistors. Lei Wu, Zhiyan Hu, Lei Liang, Ruijin Hu*, Junzhuan Wang*, and Linwei Yu*.
Nature?Communications 16, 965 (2025)
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56376-x?
前期相關工作：
- 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.
- 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)
- 3. Highly Stretchable High-Performance Silicon Nanowire Field Effect Transistors Integrated on Elastomer Substrates. Xiaopan Song, Ting Zhang, Lei Wu, Ruijin Hu, Wentao Qian, Zongguang Liu*, Junzhuan Wang, Yi Shi, Jun Xu, Kunji Chen, and Linwei Yu*.?Advanced Science. 2022, 2105623.
- 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.
- An in-plane solid-liquid-solid growth mode for self-avoiding lateral silicon nanowires
Linwei Yu,* Pierre-Jean Alet, Gennaro Picardi and Pere Roca i Cabarrocas, Physical Review Letters,?102, 125501 (2009)
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課題組簡介：https://ese.nju.edu.cn/ylw
