近日，由科技日報(bào)社主辦、部分兩院院士和媒體人士共同評選出的2022年國內(nèi)十大科技新聞揭曉，清華團(tuán)隊(duì)首次制成柵極長度最小的晶體管入選2022年國內(nèi)十大科技新聞。

△亞1納米柵長晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

人類又向摩爾定律的極限發(fā)起挑戰(zhàn)。這一次，中國人扮演了探索者的角色。清華大學(xué)集成電路學(xué)院團(tuán)隊(duì)首次制備出亞1納米柵極長度的晶體管，該晶體管具有良好的電學(xué)性能。相關(guān)成果在線發(fā)表在3月15日的《自然》雜志上。

過去幾十年，晶體管的柵極尺寸不斷微縮。隨著尺寸進(jìn)入納米尺度，電子遷移率降低、靜態(tài)功耗增大等效應(yīng)越發(fā)嚴(yán)重。新結(jié)構(gòu)和新材料的開發(fā)迫在眉睫。目前主流工業(yè)界晶體管的柵極尺寸在12納米以上。為進(jìn)一步突破1納米以下柵長晶體管的瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)巧妙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)向電場來控制垂直的二硫化鉬（MoS_2）溝道的開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)等效的物理柵長為0.34納米。

△隨著摩爾定律的發(fā)展，晶體管柵長逐步微縮，本研究實(shí)現(xiàn)了亞1納米柵長的晶體管

團(tuán)隊(duì)通過在石墨烯表面沉積金屬鋁并自然氧化的方式，完成了對石墨烯垂直方向電場的屏蔽。再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薄膜作為溝道。具體器件結(jié)構(gòu)、工藝流程、完成實(shí)物圖如下所示：

△亞1納米柵長晶體管器件工藝流程、示意圖、表征圖以及實(shí)物圖

研究發(fā)現(xiàn)，由于單層二維二硫化鉬薄膜相較于體硅材料具有更大的有效電子質(zhì)量和更低的介電常數(shù)，在超窄亞1納米物理柵長控制下，晶體管能有效的開啟、關(guān)閉，其關(guān)態(tài)電流在pA量級，開關(guān)比可達(dá)105，亞閾值擺幅約117mV/dec。大量、多組實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)結(jié)果也驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)下的大規(guī)模應(yīng)用潛力?；诠に囉?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（TCAD）的仿真結(jié)果進(jìn)一步表明了石墨烯邊緣電場對垂直二硫化鉬溝道的有效調(diào)控，預(yù)測了在同時(shí)縮短溝道長度條件下，晶體管的電學(xué)性能情況。這項(xiàng)工作推動了摩爾定律進(jìn)一步發(fā)展到亞1納米級別，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)。

△統(tǒng)計(jì)目前工業(yè)界和學(xué)術(shù)界晶體管柵極長度微縮的發(fā)展情況，本研究率先達(dá)到了亞1納米

紐約州立大學(xué)布法羅分校納米電子學(xué)家李華民對此評價(jià)道：這項(xiàng)新工作將柵極的尺寸極限進(jìn)一步縮小到僅一層碳原子的厚度，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，要打破這一紀(jì)錄是非常困難的。

單層石墨烯厚度僅0.34納米，本身是平面結(jié)構(gòu)，這就要求溝道是垂直結(jié)構(gòu)，這是一大難題。另外石墨烯除了側(cè)壁能夠柵控，其表面也能柵控，因此屏蔽石墨烯表面電場也是難點(diǎn)，中國團(tuán)隊(duì)使用自氧化鋁層來完成這一點(diǎn)。

二維薄膜的未來集成電路將會帶來柔軟、透明、高密度的芯片。如果使用新材料，就有機(jī)會實(shí)現(xiàn)全柔性的手機(jī)——其CPU、存儲器都是軟的，而且更加節(jié)能。

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