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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，并帶來性能上的提升。近日，清華大學(xué)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納米柵極長(zhǎng)度的晶體管，該晶體管具有良好的電學(xué)性能。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”為題，在線發(fā)表在《自然》上。

1965年，英特爾公司創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾提出：“集成電路芯片上可容納的晶體管數(shù)目，每隔18-24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。”該論斷也被稱為“摩爾定律”。過去幾十年，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，隨著晶體管的物理尺寸進(jìn)入納米尺度，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)越來越嚴(yán)重，這使得新結(jié)構(gòu)和新材料的開發(fā)迫在眉睫。

根據(jù)國(guó)際器件和系統(tǒng)路線圖(IRDS2021)報(bào)道，目前主流工業(yè)界晶體管的柵極尺寸在12納米以上，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。

在極短?hào)砰L(zhǎng)晶體管方面，學(xué)術(shù)界此前也做出了很多探索。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形的平面無結(jié)型硅基晶體管，等效的物理柵長(zhǎng)僅為3納米。

2016年，美國(guó)的勞倫斯伯克利國(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納米的平面硫化鉬晶體管。

為進(jìn)一步突破1納米以下柵長(zhǎng)晶體管的瓶頸，任天令研究團(tuán)隊(duì)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，通過石墨烯側(cè)向電場(chǎng)控制垂直的二硫化鉬(MoS2)溝道的開關(guān)，從而使等效的物理柵長(zhǎng)度降為0.34納米。再通過在石墨烯表面沉積金屬鋁并使其自然氧化，完成了對(duì)石墨烯垂直方向電場(chǎng)的屏蔽。此后，科研人員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作為溝道，最終完成了具有亞1納米柵極長(zhǎng)度的晶體管。

研究發(fā)現(xiàn)，相較于體硅材料，單層二維二硫化鉬具有更大的有效電子質(zhì)量和更低的介電常數(shù)，在亞1納米物理柵長(zhǎng)的控制下，晶體管能有效的開啟、關(guān)閉，其關(guān)態(tài)電流在pA量級(jí)。

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，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。研究人員表示，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)為二維薄膜在未來集成電路的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。(作者：陳彬)