本
文
摘
要
近日，由科技日报社主办、部分两院院士和媒体人士共同评选出的2022年国内十大科技新闻揭晓，清华团队首次制成栅极长度最小的晶体管入选2022年国内十大科技新闻。
△亚1纳米栅长晶体管结构示意图
人类又向摩尔定律的极限发起挑战。这一次，中国人扮演了探索者的角色。清华大学集成电路学院团队首次制备出亚1纳米栅极长度的晶体管，该晶体管具有良好的电学性能。相关成果在线发表在3月15日的《自然》杂志上。
过去几十年，晶体管的栅极尺寸不断微缩。随着尺寸进入纳米尺度，电子迁移率降低、静态功耗增大等效应越发严重。新结构和新材料的开发迫在眉睫。目前主流工业界晶体管的栅极尺寸在12纳米以上。为进一步突破1纳米以下栅长晶体管的瓶颈，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二硫化钼（MoS_2）沟道的开关，从而实现等效的物理栅长为0.34纳米。
△随着摩尔定律的发展，晶体管栅长逐步微缩，本研究实现了亚1纳米栅长的晶体管团队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：
△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。
△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，本研究率先达到了亚1纳米纽约州立大学布法罗分校纳米电子学家李华民对此评价道：这项新工作将栅极的尺寸极限进一步缩小到仅一层碳原子的厚度，在相当长的一段时间内，要打破这一纪录是非常困难的。
单层石墨烯厚度仅0.34纳米，本身是平面结构，这就要求沟道是垂直结构，这是一大难题。另外石墨烯除了侧壁能够栅控，其表面也能栅控，因此屏蔽石墨烯表面电场也是难点，中国团队使用自氧化铝层来完成这一点。
二维薄膜的未来集成电路将会带来柔软、透明、高密度的芯片。如果使用新材料，就有机会实现全柔性的手机——其CPU、存储器都是软的，而且更加节能。
节选自科技日报
