清華大學(xué)集成電路學(xué)院團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)亞1 nm柵極長(zhǎng)度晶體管

2022年3月15日，記者從清華大學(xué)獲悉，該校集成電路學(xué)院教授任天令團(tuán)隊(duì)在小尺寸晶體管研究方面取得重要進(jìn)展。首次實(shí)現(xiàn)了具有亞1 nm柵極長(zhǎng)度的晶體管，并具有良好的電學(xué)性能。2022年3月10日，相關(guān)成果以“具有亞1 nm柵極長(zhǎng)度的垂直硫化鉬晶體管”為題在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

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，并帶來(lái)性能的提升。Intel 公司創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾（Gordon Moore）在1965提出：“集成電路芯片上可容納的晶體管數(shù)目，每隔18到24個(gè)月便會(huì)增加一倍，微處理器的性能提高一倍，或價(jià)格下降一半?！边@在集成電路領(lǐng)域被稱為“摩爾定律”。過(guò)去幾十年晶體管的柵極尺寸在摩爾定律的推動(dòng)下不斷微縮，然而近年來(lái)，隨著晶體管的物理尺寸進(jìn)入納米尺度，造成電子遷移率降低、漏電流增大、靜態(tài)功耗增大等短溝道效應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)重，這使得新結(jié)構(gòu)和新材料的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。

根據(jù)信息資源詞典系統(tǒng)（IRDS2021）報(bào)道，目前主流工業(yè)界晶體管的柵極尺寸在 12 nm 以上，如何促進(jìn)晶體管關(guān)鍵尺寸的進(jìn)一步微縮，引起了業(yè)界研究人員的廣泛關(guān)注。

學(xué)術(shù)界在極短?hào)砰L(zhǎng)晶體管方面做出了探索。2012年，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所在國(guó)際電子器件大會(huì)報(bào)道了基于絕緣襯底上硅實(shí)現(xiàn)V形的平面無(wú)結(jié)型硅基晶體管，等效的物理柵長(zhǎng)為3 nm。2016年，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)在《科學(xué)》期刊報(bào)道了基于金屬性碳納米管材料實(shí)現(xiàn)了物理柵長(zhǎng)為1 nm的平面硫化鉬晶體管。

為進(jìn)一步突破1 nm以下柵長(zhǎng)晶體管的瓶頸，任天令研究團(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0.34 nm。

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。

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 nm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117 mV/dec。大量、多組試驗(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。

此外，基于工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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 nm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)。

（來(lái)源：人民網(wǎng)）