据清华大学官网消息,集成电路学院任天令教授团队在小尺寸晶体管研究方面取得重大突破,首次实现了具有亚1纳米栅极长度的晶体管,并具有良好的电学性能。

据清华大学介绍,目前主流工业界晶体管的栅极尺寸在12nm以上,日本中在2012年实现了等效3nm的平面无结型硅基晶体管,2016年美国实现了物理栅长为1nm的平面硫化钼晶体管,而清华大学目前实现等效的物理栅长为0.34nm。

图1 亚1纳米栅长晶体管结构示意图

官网介绍,为进一步突破1纳米以下栅长晶体管的瓶颈,本研究团队巧妙利用石墨烯薄膜超薄的单原子层厚度和优异的导电性能作为栅极,通过石墨烯侧向电场来控制垂直的MoS2沟道的开关,从而实现等效的物理栅长为0.34nm。

图2 随着摩尔定律的发展,晶体管栅长逐步微缩,本工作实现了亚1纳米栅长的晶体管

通过在石墨烯表面沉积金属铝并自然氧化的方式,完成了对石墨烯垂直方向电场的屏蔽。再使用原子层沉积的二氧化铪作为栅极介质、化学气相沉积的单层二维二硫化钼薄膜作为沟道。具体器件结构、工艺流程、完成实物图如下所示:

图3 亚1纳米栅长晶体管器件工艺流程,示意图,表征图以及实物图

研究发现,由于单层二维二硫化钼薄膜相较于体硅材料具有更大的有效电子质量和更低的介电常数,在超窄亚1纳米物理栅长控制下,晶体管能有效的开启、关闭,其关态电流在pA量级,开关比可达105,亚阈值摆幅约117mV/dec。大量、多组实验测试数据结果也验证了该结构下的大规模应用潜力。

基于工艺计算机辅助设计(TCAD)的仿真结果进一步表明了石墨烯边缘电场对垂直二硫化钼沟道的有效调控,预测了在同时缩短沟道长度条件下,晶体管的电学性能情况。

这项工作推动了摩尔定律进一步发展到亚1纳米级别,同时为二维薄膜在未来集成电路的应用提供了参考依据。

图4 统计目前工业界和学术界晶体管栅极长度微缩的发展情况,本工作率先达到了亚1纳米

上述相关成果以 具有亚1纳米栅极长度的垂直硫化钼晶体管 (Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths)为题,于3月10日在线发表在国际顶级学术期刊《自然》(Nature)上。

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