清華大學科研團隊首次實現具有亞1納米柵極長度的晶體管



  人民網北京3月15日電 （記者李依環、孫競）記者從清華大學獲悉，近日，該校積體電路學院教授任天令團隊在小尺寸晶體管研究方面取得重要進展。首次實現了具有亞1納米柵極長度的晶體管，並具有良好的電學性能。3月10日，相關成果以「具有亞1納米柵極長度的垂直硫化鉬晶體管」為題線上發表在國際學術期刊《自然》上。

亞1納米柵長晶體管結構示意圖。圖片來源：清華大學

  晶體管是芯片的核心元器件，更小的柵極尺寸可以使得芯片上集成更多的晶體管，並帶來性能的提昇。據報道，目前主流工業界晶體管的柵極尺寸在12納米以上。2012年，日本產業技術綜合研究所在國際電子器件大會報道了基於絕緣襯底上硅實現V形的平面無結型硅基晶體管，等效的物理柵長為3納米。2016年，美國勞倫斯伯克利國家 實驗室和史丹佛大學在《科學》期刊報道了基於金屬性碳納米管材料實現了物理柵長為1納米的平面硫化鉬晶體管。
  為進一步突破1納米以下柵長晶體管的瓶頸，任天令研究團隊巧妙利用石墨烯薄膜超薄的單原子層厚度和優異的導電性能作為柵極，通過石墨烯側向電場來控制垂直的MoS2溝道的開關，從而實現等效的物理柵長為0.34納米。通過在石墨烯表面沉積金屬鋁並自然氧化的方式，完成了對石墨烯垂直方向電場的屏蔽。再使用原子層沉積的二氧化鉿作為柵極介質、化學氣相沉積的單層二維二硫化鉬薄膜作為溝道。

  研究發現，由於單層二維二硫化鉬薄膜相較於體硅材料具有更大的有效電子質量和更低的介電常數，在超窄亞1納米物理柵長控制下，晶體管能有效的開啟、關閉，其關態電流在pA量級，開關比可達105，亞閾值擺幅約117mV/dec。大量、多組實驗測試數據結果也驗證了該結構下的大規模應用潛力。
  此外，基於工藝計算機輔助設計的仿真結果進一步表明瞭石墨烯邊緣電場對垂直二硫化鉬溝道的有效調控，預測了在同時縮短溝道長度條件下，晶體管的電學性能情況。這項工作推動了摩爾定律進一步發展到亞1納米級別，同時為二維薄膜在未來積體電路的應用提供了參考依據。
  據悉，論文通訊作者為清華大學積體電路學院教授任天令、副教授田禾，清華大學積體電路學院2018級博士生吳凡、副教授田禾、2019級博士生瀋陽為共同第一作者，其他參加研究的作者包括清華大學積體電路學院2020級碩士生侯展、2018級碩士生任傑、2022級博士生苟廣洋、副教授楊軼和華東師範大學通信與電子工程學院副教授孫亞賓。
  任天令教授團隊長期致力於二維材料器件技術研究，從材料、器件結構、工藝、系統集成等多層次實現創新突破，先後在《自然》、《自然·電子》、《自然·通訊》等知名期刊以及國際電子器件會議等領域內頂級國際學術會議上發表多篇論文。