據(jù)清華大學(xué)官網(wǎng)消息 ，集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)在小尺寸晶體管研究方面取得重大突破，首次實(shí)現(xiàn)了具有亞1納米柵極長(zhǎng)度的晶體管，并具有良好的電學(xué)性能。

據(jù)清華大學(xué)介紹，目前主流工業(yè)界晶體管的柵極尺寸在12nm以上，日本中在2012年實(shí)現(xiàn)了等效3nm的平面無(wú)結(jié)型硅基晶體管，2016年美國(guó)實(shí)現(xiàn)了物理柵長(zhǎng)為1nm的平面硫化鉬晶體管，而清華大學(xué)目前實(shí)現(xiàn)等效的物理柵長(zhǎng)為0.34nm。

官網(wǎng)介紹，為進(jìn)一步突破1納米以下柵長(zhǎng)晶體管的瓶頸，本研究團(tuán)隊(duì)巧妙利用石墨烯薄膜超薄的單原子層厚度和優(yōu)異的導(dǎo)電性能作為柵極，通過(guò)石墨烯側(cè)向電場(chǎng)來(lái)控制垂直的MoS2溝道的開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)等效的物理柵長(zhǎng)為0.34nm。

圖2 隨著摩爾定律的發(fā)展，晶體管柵長(zhǎng)逐步微縮，本工作實(shí)現(xiàn)了亞1納米柵長(zhǎng)的晶體管

通過(guò)在石墨烯表面沉積金屬鋁并自然氧化的方式，完成了對(duì)石墨烯垂直方向電場(chǎng)的屏蔽。再使用原子層沉積的二氧化鉿作為柵極介質(zhì)、化學(xué)氣相沉積的單層二維二硫化鉬薄膜作為溝道。具體器件結(jié)構(gòu)、工藝流程、完成實(shí)物圖如下所示：

圖3 亞1納米柵長(zhǎng)晶體管器件工藝流程，示意圖，表征圖以及實(shí)物圖

研究發(fā)現(xiàn)，由于單層二維二硫化鉬薄膜相較于體硅材料具有更大的有效電子質(zhì)量和更低的介電常數(shù)，在超窄亞1納米物理柵長(zhǎng)控制下，晶體管能有效的開(kāi)啟、關(guān)閉，其關(guān)態(tài)電流在pA量級(jí)，開(kāi)關(guān)比可達(dá)105，亞閾值擺幅約117mV/dec。大量、多組實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果也驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)下的大規(guī)模應(yīng)用潛力。

基于工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(TCAD)的仿真結(jié)果進(jìn)一步表明了石墨烯邊緣電場(chǎng)對(duì)垂直二硫化鉬溝道的有效調(diào)控，預(yù)測(cè)了在同時(shí)縮短溝道長(zhǎng)度條件下，晶體管的電學(xué)性能情況。

這項(xiàng)工作推動(dòng)了摩爾定律進(jìn)一步發(fā)展到亞1納米級(jí)別，同時(shí)為二維薄膜在未來(lái)集成電路的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

圖4 統(tǒng)計(jì)目前工業(yè)界和學(xué)術(shù)界晶體管柵極長(zhǎng)度微縮的發(fā)展情況，本工作率先達(dá)到了亞1納米

上述相關(guān)成果以“具有亞1納米柵極長(zhǎng)度的垂直硫化鉬晶體管”(Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths)為題，于3月10日在線發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)上。

關(guān)鍵詞： 清華大學(xué) 工業(yè)界晶體管 納米柵極長(zhǎng)度