金屬所Materials Today：基于低維材料的三維結構晶體管研究展望

一、導讀

自20世紀60年代以來，金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）的特征尺寸按照摩爾定律的指引已經縮小到納米尺度，通過實現更小、更快、更低功耗的器件，將進一步有效增加芯片上晶體管的集成密度。在器件性能迭代發展過程中，為應對短溝道效應等方面的挑戰，一方面人們開發了鰭式場效應晶體管（FinFET）、環柵場效應晶體管（GAAFET）和三維集成等三維結構器件和系統技術，另一方面也提出使用碳納米管（CNT）、石墨烯和二維過渡金屬硫化物（TMDC）等低維材料作為溝道發展低維電子器件（圖1）。如果能夠充分結合上述兩種發展策略，基于低維材料的三維結構晶體管將有望實現高效的柵極控制能力和更高的器件密度，推動芯片技術進一步沿著摩爾定律發展。

二、展望

近日，中國科學院金屬研究所的孫東明、成會明研究團隊從原理、性能和未來挑戰等方面評述了基于低維材料的三維結構器件和三維集成系統的發展現狀，以題為“面向后摩爾時代的基于低維材料的三維晶體管和集成技術（Three-Dimensional Transistors and Integration Based on Low-Dimensional Materials for the Post-Moore’s Law Era）”于近日在國際著名刊物Materials Today上在線發表。

他們首先指出，減少漏致勢壘降低（DIBL）和亞閾值擺幅（SS）退化等短溝道效應影響的關鍵在于減小自然長度（natural length），它反比于晶體管的柵數量N，正比于溝道厚度T_S。為此，人們一方面發展了FinFET、GAAFET等多柵晶體管和充分利用垂直空間的三維集成系統（圖2），另一方面充分利用具有納米級溝道厚度的CNT和TMDC等低維材料的特性構建器件（圖3）。在分別介紹三維結構器件和系統以及低維材料后，他們詳細闡述了使用CNT、石墨烯和TMDC等低維材料構建的FinFET、GAAFET和三維集成系統，如鰭式溝道寬度低至0.6納米的單層二硫化鉬溝道FinFET、相當于七層硅溝道堆疊GAAFET的雙層二硫化鉬溝道堆疊GAAFET和實現感-存-算一體功能的三維集成系統等（圖4）。該團隊總結了目前器件的性能，指出聯合低維材料技術和三維器件技術將可能帶來滿足后摩爾時代要求的高集成度、低功耗器件和系統（圖5）。針對亟需解決的關鍵挑戰，他們提出一方面需要解決器件領域的共性問題，包括提升器件均勻性、降低接觸電阻、提升載流子遷移率和調控介電材料等效氧化層厚度等（圖6），另一方面需要解決低維材料三維結構器件的特殊問題，如低維材料的三維幾何支撐、大規模工業制備工藝以及三維集成系統中的散熱和互聯問題等。最后他們展望了使用全二維材料制備三維結構器件、制備碳納米管垂直環柵結構晶體管和使用新型六元環高遷移率二維材料等制備未來器件的研究前景。

中國科學院金屬研究所和中國科學技術大學博士生王肖月為文章的第一作者，劉馳研究員為共同第一作者，孫東明和劉馳研究員為文章的通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研究計劃、中科院、興遼英才計劃和沈陽材料科學國家研究中心等項目的支持。

三、數據概覽

圖1.?基于低維材料的三維結構器件與集成系統。

圖2.?增加柵極數目將抑制短溝道效應。

圖3.單壁碳納米管、石墨烯、二硫化鉬和氮化硼等低維材料的結構示意圖。

圖4.?基于低維材料的三維結構器件與三維集成系統。

圖5. 基于低維材料的FinFET和GAAFET性能。

圖6. 使用低維材料作為溝道的器件的載流子遷移率和等效氧化層厚度。

全文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.11.023

主要作者簡介：

王肖月，中國科學技術大學材料科學與工程學院、中科院金屬研究所博士研究生，主要研究方向為低維材料高速晶體管，利用新型材料與機制提升器件工作速度等性能。

劉馳，中科院金屬研究所研究員，主要從事混合維度電子器件研究，利用不同維度材料的優勢實現器件性能和功能的提升，研究成果以第一或通訊作者發表在Nature Communications、National Science Review、Advanced Materials、Small 和IEEE EDL和TED等期刊，入選Nature Commun.年度最受關注的50篇物理類論文和電子器件類亮點論文等。

個人主頁：

http://sourcedb.imr.cas.cn/zw/rck/yjy_imr/202205/t20220505_6442552.html

孫東明，中科院金屬研究所研究員，國家杰出青年科學基金獲得者、第十三屆全國人大代表、中國科協第十屆全委。主要從事新型半導體器件研究，曾在《科學》《自然-納米技術》等核心期刊發表論文80余篇，入選2020年度中國半導體十大研究進展、2021中國光學領域二十大最具社會影響力事件等。先后牽頭或參與研發了“硅—石墨烯—鍺”垂直異質結構高速晶體管、首例“碳基時序邏輯集成電路”和“亞納米原子尺度的鰭式晶體管陣列”等關鍵技術，半導體控溫芯片領域的研究成果已經成功實施科技成果轉化。

成會明，中國科學院院士，現任深圳理工大學（籌）材料與能源學院名譽院長、中科院深圳先進技術研究院碳中和技術研究所所長；中科院金屬所沈陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部主任。主要從事新型儲能材料與器件、光催化材料、碳納米管、石墨烯及其他二維材料等的研發。獲國家自然科學獎二等獎（3項)、何梁何利科技獎、美國化學會ACS?Nano講座獎等，是化學和材料兩個領域的國際高被引科學家。

本文由作者供稿