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晶體管作為芯片的核心元器件，更小的柵極尺寸能讓芯片上集成更多的晶體管，并帶來(lái)性能的提升。Intel公司創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾（Gordon Moore）在1965提出：“集成電路芯片上可容納的晶體管數(shù)目，每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，微處理器的性能提高一倍，或價(jià)格下降一半。”這在集成電路領(lǐng)域被稱為“摩爾定律”。過(guò)去幾十年晶體管的柵極尺寸在摩爾定律的推動(dòng)下不斷微縮，然而近年來(lái)，隨著晶體管的物理尺寸進(jìn)入納米尺度，造成電子遷移率降低、漏電流增大、靜態(tài)功耗增大等短溝道效應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)重，這使得新結(jié)構(gòu)和新材料的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。根據(jù)信息資源詞典系統(tǒng)（IRDS2021）報(bào)道，目前主流工業(yè)界晶體管的柵極尺寸在12nm以上，如何促進(jìn)晶體管關(guān)鍵尺寸的進(jìn)一步微縮，引起了業(yè)界研究人員的廣泛關(guān)注。

圖2 隨著摩爾定律的發(fā)展，晶體管柵長(zhǎng)逐步微縮，本工作實(shí)現(xiàn)了亞1納米柵長(zhǎng)的晶體管

學(xué)術(shù)界在極短?hào)砰L(zhǎng)晶體管方面做出了探索。2012年，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所在國(guó)際電子器件大會(huì)（IEDM）報(bào)道了基于絕緣襯底上硅實(shí)現(xiàn)V形的平面無(wú)結(jié)型硅基晶體管，等效的物理柵長(zhǎng)僅為3納米。2016年，美國(guó)的勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)在《科學(xué)》（Science）期刊報(bào)道了基于金屬性碳納米管材料實(shí)現(xiàn)了物理柵長(zhǎng)為1納米的平面硫化鉬晶體管。為進(jìn)一步突破1納米以下柵長(zhǎng)晶體管的瓶頸，本研究團(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(guò)石墨烯側(cè)向電場(chǎng)來(lái)控制垂直的MoS2溝道的開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)等效的物理柵長(zhǎng)為0.34nm。通過(guò)在石墨烯表面沉積金屬鋁并自然氧化的方式，完成了對(duì)石墨烯垂直方向電場(chǎng)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：

圖3 亞1納米柵長(zhǎng)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(zhǎng)控制下，晶體管能有效的開(kāi)啟、關(guān)閉，其關(guān)態(tài)電流在pA量級(jí)，開(kāi)關(guān)比可達(dá)105，亞閾值擺幅約117mV/dec。大量、多組實(shí)驗(yàn)測(cè)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。基于工藝計(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(chǎng)對(duì)垂直二硫化鉬溝道的有效調(diào)控，預(yù)測(cè)了在同時(shí)縮短溝道長(zhǎng)度條件下，晶體管的電學(xué)性能情況。這項(xiàng)工作推動(dòng)了摩爾定律進(jìn)一步發(fā)展到亞1納米級(jí)別，同時(shí)為二維薄膜在未來(lái)集成電路的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

圖4 統(tǒng)計(jì)目前工業(yè)界和學(xué)術(shù)界晶體管柵極長(zhǎng)度微縮的發(fā)展情況，本工作率先達(dá)到了亞1納米

上述相關(guān)成果以“具有亞1納米柵極長(zhǎng)度的垂直硫化鉬晶體管”（Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths）為題，于3月10日在線發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上。論文通訊作者為清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授和田禾副教授，清華大學(xué)集成電路學(xué)院2018級(jí)博士生吳凡、田禾副教授、2019級(jí)博士生沈陽(yáng)為共同第一作者，其他參加研究的作者包括清華大學(xué)集成電路學(xué)院2020級(jí)碩士生侯展、2018級(jí)碩士生任杰、2022級(jí)博士生茍廣洋、楊軼副教授和華東師范大學(xué)通信與電子工程學(xué)院孫亞賓副教授。

任天令教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于二維材料器件技術(shù)研究，從材料、器件結(jié)構(gòu)、工藝、系統(tǒng)集成等多層次實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破，先后在《自然》（Nature）、《自然·電子》（Nature Electronics）、《自然·通訊》（Nature Communications）等知名期刊以及國(guó)際電子器件會(huì)議（IEDM）等領(lǐng)域內(nèi)頂級(jí)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表多篇論文。清華大學(xué)的研究人員得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然基金委、北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心等的支持。