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 據(jù)悉，清華大學(xué)微納電子學(xué)系任天令教授團隊在《美國化學(xué)學(xué)會納米》 （ACS Nano）在線發(fā)表了題為《超低亞閾值擺幅，超高開關(guān)比雙模式二硫化鉬導(dǎo)電細(xì)絲晶體管》（“Two-Mode MoS2 Filament Transistor with Extremely Low Subthreshold Swing and Record High On/Off Ratio”）的研究論文，首次在埋柵雙層二硫化鉬（MoS2）晶體管溝道和漏極之間插入阻變層，在不同的電壓條件下分別實現(xiàn)了超低亞閾值擺幅（模式一）和擁有超高開關(guān)比的準(zhǔn)零維接觸（模式二）。

現(xiàn)如今，隨著摩爾定律發(fā)展，單片集成的晶體管數(shù)量越來越多，由此來帶的小尺寸效應(yīng)等問題更加突顯，如何進一步降低晶體管亞閾值斜率擺幅來實現(xiàn)低功耗的亞閾值區(qū)1/0數(shù)字信號切換，增大單個晶體管開關(guān)比和開態(tài)電流來實現(xiàn)更好的關(guān)斷特性和驅(qū)動能力，成為了研究的熱點和難點。近年來新型晶體管如隧穿晶體管和負(fù)電容晶體管被研制出來以解決這一難題。與上述兩類晶體管不同，本工作采用了全新的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造性結(jié)合了埋柵雙層二硫化鉬晶體管和導(dǎo)電橋式隨機存取存儲器(CBRAM)阻變層，構(gòu)建了雙模式二硫化鉬“導(dǎo)電細(xì)絲晶體管”，該晶體管可以工作在超低亞閾值斜率（模式一）和超高晶體管電流開關(guān)比（模式二）兩種模式中，為上述問題提供了新的解決方案。

圖 1. （a）二硫化鉬導(dǎo)電細(xì)絲晶體管模式一運行示意圖；（b）晶圓級導(dǎo)電細(xì)絲晶體管陣列；（c）導(dǎo)電細(xì)絲晶體管的掃描電子顯微鏡圖；（d）模式一下晶體管源漏電流和柵極電壓在不同漏極偏置下的傳輸曲線。

在模式一中，通過施加不同極性的漏極偏置和不同方向的柵極掃描電壓，調(diào)控漏極和溝道間阻變層電場大小和方向，使得阻變層中的導(dǎo)電細(xì)絲導(dǎo)通和斷裂。在其導(dǎo)通和斷裂的瞬間，溝道電流發(fā)生突變從而實現(xiàn)超低的亞閾值斜率（圖1a）。利用化學(xué)氣相淀積生長的大面積二硫化鉬薄膜使得該器件可達到晶圓級制備規(guī)模 （圖1b）。其器件結(jié)構(gòu)如圖1c所示，在該器件中獲得了2.26 mV/dec的超低亞閾值斜率（圖1d）。 

圖 2. （a）二硫化鉬導(dǎo)電細(xì)絲晶體管模式II運行示意圖；（b）模式二下該晶體管的柵控電流傳輸曲線和柵極漏電流；（c）準(zhǔn)零維結(jié)構(gòu)晶體管（模式二）和對照組傳統(tǒng)三維接觸的開態(tài)電流對比。

在模式二中，由于上述阻變層形成導(dǎo)電細(xì)絲的直徑在亞10納米，從而在漏電極和溝道間形成準(zhǔn)零維接觸，大大降低傳統(tǒng)接觸中電子散射現(xiàn)象（圖2a），實現(xiàn)超高柵控溝道電流的開關(guān)比 (2.6×109，圖2b)，相比于傳統(tǒng)電極接觸二硫化鉬晶體管對照組，開態(tài)電流提高了約50倍（圖2c）。此外，埋柵結(jié)構(gòu)的使用相較于傳統(tǒng)背柵晶體管能進一步地增強柵控能力。同時相比于頂柵晶體管而言，繞過了在二維薄膜上生長介質(zhì)材料不均勻的難題。