清华大学任天令Nature：史上最小0.34 nm MoS2晶体管为摩尔定律延寿

一、【导读】

         众所周知，超大规模晶体管在下一代电子设备的开发中具有举足轻重的地位。自从第一块集成电路建成以来，当硅（Si）晶体管的栅极长度缩小到5 nm以下时，将接近其微缩极限。近年来，涵盖从半金属、半导体到绝缘体的广泛使用的导电性二维材料，在下一代电子器件中引起了极大的关注。石墨烯作为一种半金属材料，具有较高的本征电导率，可用作电极。MoS₂作为二维（2D）过渡金属硫化物（TMDCs）的代表，具有比Si（1.12 eV）更大的带隙（单层为2.0 eV）。此外，它的本征N掺杂行为、更大的电子有效质量和更低的介电常数导致对短沟道效应的优异抵抗力。因此， MoS₂有望成为替代Si作为未来晶体管中的沟道材料的理想候选者。尽管之前已经报道了关于原子级薄的二硫化钼（MoS₂）晶体管，但栅极长度低于1 nm的晶体管制备一直存在挑战。

二、【成果掠影】

         今日，清华大学任天令教授和田禾副教授（共同通讯作者）等人使用石墨烯层的边缘作为栅极，演示了具有原子级薄沟道和物理栅极长度低于1 nm的侧壁MoS₂晶体管。该方法通过化学气相沉积生长的大面积石墨烯和MoS₂薄膜，在2英寸的晶片上制备侧壁晶体管。

         其中，额外的铝（Al）层屏蔽了来自石墨烯上表面的垂直电场，使有效的栅极电场来自石墨烯的边缘，只能影响部分垂直的MoS₂沟道。CVD石墨烯薄膜具有高导电性，可以最大限度地减少沿栅极层的电压降。0.34 nm栅极长度的侧壁晶体管显示出良好的开关特性，开/关比高达1.02×10⁵和亚阈值摆幅值低至117 mV dec^-1。同时，基于Sentaurus计算机辅助设计技术（TCAD）模拟结果表明，石墨烯的二维平面特性提供了栅极控制的能力，MoS₂侧壁有效沟道长度在开启状态下接近0.34 nm，在关闭状态下接近4.54 nm。这项工作促进了一种将栅极长度缩小到1 nm以下的晶圆级生产方法的发展。更重要的是，它提供了对最终缩放摩尔定律的深刻见解。研究表明，它可以被视为迄今为止最小的栅极长度晶体管。

       相关研究成果以“Vertical MoS₂ transistors with sub-1-nm gate lengths”为题发表在Nature上。

三、【核心创新点】

√分别使用MoS₂和石墨烯的边缘分别充当沟道和栅极，实现了栅极长度为0.34 nm的侧壁晶体管，这也是迄今为止最小的栅极长度晶体管；

√0.34 nm栅极长度的侧壁晶体管显示出良好的开关特性，开/关比高达1.02×10⁵和亚阈值摆幅值低至117 mV dec^-1。

四、【数据概览】

图一、0.34 nm栅极长度的侧壁晶体管与其他典型结构晶体管的比较 © 2022 Springer Nature

图二、0.34 nm栅极长度的侧壁单层MoS₂晶体管结构和表征 © 2022 Springer Nature

图三、0.34nm栅极长度的侧壁晶体管的性能测试 © 2022 Springer Nature

图四、TCAD仿真结果 © 2022 Springer Nature五、【成果启示】

         综上所述，二维材料为将电子设备缩小到原子水平提供了宝贵的机会。TMDCs对短沟道效应(short channel effects , SCEs)表现出良好的抵抗力，石墨烯具有高导电性和超薄厚度。MoS₂和石墨烯的边缘分别充当沟道和栅极，从而实现了栅极长度为0.34 nm的侧壁晶体管的制造。侧壁结构有效利用了石墨烯的天然超薄厚度，实现了晶圆级生产。其中，缩小的等效氧化层厚度、缩短的沟道长度、提高MoS₂薄膜质量和开发与MoS₂的理想接触对进一步提高性能至关重要。尽管如此，这项工作对晶体管缩放至其物理极限提供了新的见解，并揭示了突破摩尔定律，实现1 nm以下晶体管的巨大潜力。

文献链接：“Vertical MoS₂ transistors with sub-1-nm gate lengths”（Nature，2022，DOI：10.1038/s41586-021-04323-3）

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