清華大學任天令Nature：史上最小0.34 nm MoS2晶體管為摩爾定律延壽

一、【導讀】

? ? ? ? ?眾所周知，超大規模晶體管在下一代電子設備的開發中具有舉足輕重的地位。自從第一塊集成電路建成以來，當硅（Si）晶體管的柵極長度縮小到5 nm以下時，將接近其微縮極限。近年來，涵蓋從半金屬、半導體到絕緣體的廣泛使用的導電性二維材料，在下一代電子器件中引起了極大的關注。石墨烯作為一種半金屬材料，具有較高的本征電導率，可用作電極。MoS₂作為二維（2D）過渡金屬硫化物（TMDCs）的代表，具有比Si（1.12 eV）更大的帶隙（單層為2.0 eV）。此外，它的本征N摻雜行為、更大的電子有效質量和更低的介電常數導致對短溝道效應的優異抵抗力。因此，?MoS₂有望成為替代Si作為未來晶體管中的溝道材料的理想候選者。盡管之前已經報道了關于原子級薄的二硫化鉬（MoS₂）晶體管，但柵極長度低于1 nm的晶體管制備一直存在挑戰。

二、【成果掠影】

? ? ? ? ?今日，清華大學任天令教授和田禾副教授（共同通訊作者）等人使用石墨烯層的邊緣作為柵極，演示了具有原子級薄溝道和物理柵極長度低于1 nm的側壁MoS₂晶體管。該方法通過化學氣相沉積生長的大面積石墨烯和MoS₂薄膜，在2英寸的晶片上制備側壁晶體管。

? ? ? ? ?其中，額外的鋁（Al）層屏蔽了來自石墨烯上表面的垂直電場，使有效的柵極電場來自石墨烯的邊緣，只能影響部分垂直的MoS₂溝道。CVD石墨烯薄膜具有高導電性，可以最大限度地減少沿柵極層的電壓降。0.34 nm柵極長度的側壁晶體管顯示出良好的開關特性，開/關比高達1.02×10⁵和亞閾值擺幅值低至117 mV dec^-1。同時，基于Sentaurus計算機輔助設計技術（TCAD）模擬結果表明，石墨烯的二維平面特性提供了柵極控制的能力，MoS₂側壁有效溝道長度在開啟狀態下接近0.34 nm，在關閉狀態下接近4.54 nm。這項工作促進了一種將柵極長度縮小到1 nm以下的晶圓級生產方法的發展。更重要的是，它提供了對最終縮放摩爾定律的深刻見解。研究表明，它可以被視為迄今為止最小的柵極長度晶體管。

? ? ? ?相關研究成果以“Vertical MoS₂?transistors with sub-1-nm gate lengths”為題發表在Nature上。

三、【核心創新點】

√分別使用MoS₂和石墨烯的邊緣分別充當溝道和柵極，實現了柵極長度為0.34 nm的側壁晶體管，這也是迄今為止最小的柵極長度晶體管；

√0.34 nm柵極長度的側壁晶體管顯示出良好的開關特性，開/關比高達1.02×10⁵和亞閾值擺幅值低至117 mV dec^-1。

四、【數據概覽】

圖一、0.34 nm柵極長度的側壁晶體管與其他典型結構晶體管的比較 ? 2022 Springer Nature

圖二、0.34 nm柵極長度的側壁單層MoS₂晶體管結構和表征?? 2022 Springer Nature

圖三、0.34nm柵極長度的側壁晶體管的性能測試?? 2022 Springer Nature

圖四、TCAD仿真結果?? 2022 Springer Nature五、【成果啟示】

? ? ? ? ?綜上所述，二維材料為將電子設備縮小到原子水平提供了寶貴的機會。TMDCs對短溝道效應(short channel effects , SCEs)表現出良好的抵抗力，石墨烯具有高導電性和超薄厚度。MoS₂和石墨烯的邊緣分別充當溝道和柵極，從而實現了柵極長度為0.34 nm的側壁晶體管的制造。側壁結構有效利用了石墨烯的天然超薄厚度，實現了晶圓級生產。其中，縮小的等效氧化層厚度、縮短的溝道長度、提高MoS₂薄膜質量和開發與MoS₂的理想接觸對進一步提高性能至關重要。盡管如此，這項工作對晶體管縮放至其物理極限提供了新的見解，并揭示了突破摩爾定律，實現1 nm以下晶體管的巨大潛力。

文獻鏈接：“Vertical MoS₂?transistors with sub-1-nm gate lengths”（Nature，2022，DOI：10.1038/s41586-021-04323-3）

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