北京清華半導體研究登《自然》：實現世界上柵長最小電晶體

北京清華半導體研究登《自然》：實現世界上柵長最小電晶體。圖爲亞1納米柵長電晶體結構示意圖。（北京清華大學提供）

澎湃新聞15日報導，北京清華大學積體電路學院教授任天令近日帶領團隊，在小尺寸電晶體研究方面取得突破，首次實現了具有亞1奈米柵極長度的電晶體，並具有良好的電學性能。

電晶體作爲晶片的核心元器件，更小的柵極尺寸能讓晶片上集成更多的電晶體，並提升性能。

1965年，英特爾公司創始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出：「積體電路晶片上可容納的電晶體數目，每隔18-24個月便會增加一倍，微處理器的性能提高一倍，或價格下降一半。」這在積體電路領域被稱爲「摩爾定律」。

過去幾十年，電晶體的柵極尺寸在摩爾定律的推動下不斷微縮。但近年隨着電晶體的物理尺寸進入奈米尺度，造成電子遷移率降低、漏電流增大、靜態功耗增大等短溝道效應越來越嚴重。因此，新結構和新材料的開發迫在眉睫。

目前主流工業界電晶體的柵極尺寸在12奈米以上，如何促進電晶體關鍵尺寸的進一步微縮，引起了學術界的廣泛關注。2016年，美國勞倫斯柏克萊國家實驗室和史丹佛大學在《科學》（Science）期刊報導了團隊利用金屬性碳奈米管材料和二硫化鉬（MoS2），實現了物理柵長僅爲1奈米的平面硫化鉬電晶體。

爲進一步突破1奈米以下柵長電晶體的瓶頸，任天令團隊利用石墨烯薄膜超薄的單原子層厚度和優異的導電性能作爲柵極，通過石墨烯側向電場來控制垂直的二硫化鉬（MoS2）溝道的開關，從而實現等效的物理柵長爲0.34奈米。相關成果近日線上發表於《自然》（Nature）期刊。

「我們已經實現了世界上柵極長度最小的電晶體。」任天令表示。研究發現，由於單層二維二硫化鉬薄膜，相較於體矽材料，具有更大的有效電子品質和更低的介電常數，在超窄亞1奈米物理柵長控制下，電晶體能有效的開啓、關閉，大量、多組實驗測試資料結果也驗證了該結構下的大規模應用潛力。

基於工藝電腦輔助設計（TCAD）的仿真結果進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控，預測了在同時縮短溝道長度條件下電晶體的電學性能情況。這項研究工作推動了摩爾定律進一步發展到亞1奈米級別，同時爲二維薄膜在未來積體電路的應用提供了參考依據。

「在相當長的一段時間內，要打破這一紀錄是非常困難的。」紐約州立大學水牛城分校奈米電子學科學家Huamin Li評價道，這項新工作將柵極的尺寸極限進一步縮小到「僅一層碳原子的厚度」。

論文通訊作者爲清華大學積體電路學院教授任天令和副教授田禾，清華大學博士生吳凡、瀋陽和田禾爲共同第一作者，其他參加研究的作者包括清華大學碩士生侯展、任傑、博士生苟廣洋、副教授楊軼和華東師範大學通信與電子工程學院副教授孫亞賓。