晶體管是芯片的核心元器件。更小的柵極尺寸使得芯片上集成更多的晶體管，從而提升性能。近日，清華大學集成電路學院教授任天令團隊在小尺寸晶體管研究方面取得重要進展，首次實現了具有亞1納米柵極長度的晶體管，該晶體管具有良好的電學性能。相關成果在線發表于《自然》。
近年來，隨著晶體管的物理尺寸進入納米尺度，電子遷移率降低、漏電流增大、靜態功耗增大等短溝道效應越來越嚴重，新結構和新材料的開發迫在眉睫。在極短柵長晶體管方面，學術界此前作出了很多探索。2016年，美國勞倫斯·伯克利國家實驗室和斯坦福大學在《科學》報道了基于金屬性碳納米管材料實現了物理柵長為1納米的平面硫化鉬晶體管。
為進一步突破1納米以下柵長晶體管的瓶頸，任天令研究團隊利用石墨烯薄膜超薄的單原子層厚度和優異的導電性能作為柵極，通過石墨烯側向電場控制垂直的二硫化鉬溝道的開關，使等效的物理柵長度降為0.34納米，然后通過在石墨烯表面沉積金屬鋁并使其自然氧化，完成了對石墨烯垂直方向電場的屏蔽。此后，科研人員使用原子層沉積的二氧化鉿作為柵極介質、化學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納米柵極長度的晶體管。
研究發現，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量和更低的介電常數。在亞1納米物理柵長的控制下，晶體管能有效開啟、關閉，其關態電流在pA量級。
基于工藝計算機輔助設計的仿真結果進一步表明石墨烯邊緣電場對垂直二硫化鉬溝道的有效調控，預測了在同時縮短溝道長度條件下晶體管的電學性能情況。研究人員表示，這項工作推動了摩爾定律進一步發展到亞1納米級別，同時為二維薄膜在未來集成電路的應用提供了參考依據。(記者 陳彬)
標簽： 亞1納米柵極長度晶體管 核心元器件 小尺寸晶體管 電學性能
