一、研究背景

自从20世纪60年代制造出第一个集成电路以来，硅(Si)晶体管已经按照摩尔定律缩小了，因此可以在一个芯片上制造更多的设备。当栅极长度(Lg)缩小到5 nm以下时，硅晶体管现在接近缩小极限理论分析表明，短沟道效应(SCEs ),包括直接源极到漏极隧道电流和漏极感应势垒降低(DIBL)效应，会影响缩小过程。基于V形槽湿法蚀刻技术，最新硅晶体管的Lg为3 nm。探索具有进一步Lg缩小潜力的新材料非常重要。近年来，覆盖从半金属、半导体到绝缘体的大范围导电性的二维材料为下一代电子设备吸引了极大的关注。石墨烯作为半金属材料，表现出较高的本征电导率，可用作电极。作为二维(2D)过渡金属二硫族化物(TMDCs)的代表，MoS₂具有比Si (1.12 eV)更大的带隙(单层为2.0 eV)。此外，其天然的n掺杂特性、更大的电子有效质量和更低的介电常数使其具有更高的抗SCEs能力。因此，MoS₂有望成为未来晶体管中取代Si作为沟道材料的理想候选材料。

如今，对于基于2D材料的晶体管，有三种典型的器件结构，如图1a–c所示。由于制造工艺简单，全局背栅晶体管得到了广泛应用，但相对较大的有效氧化物厚度(EOT)限制了性能的提高。另一种器件结构是局部(顶部)栅控晶体管。通过具有高介电常数(k)的氧化物的原子层沉积(ALD ), EOT可以缩小到1 nm以下。因此，亚阈值摆幅(SS)可以大大降低。然而，无论是全局门还是局部门，Lg通常由光刻的分辨率决定。即使使用电子束光刻(EBL)技术，Lg也很难缩小到5 nm以下，2016年，Desai等人使用金属性单壁碳纳米管(SWCNT)作为栅电极，推广了无结2D MoS₂晶体管的原型，展示了1 nm Lg，在三种典型的晶体管结构中，很难将Lg进一步缩小到1 nm以下。迄今为止，探索栅极长度接近最终尺寸极限的2D TMDC晶体管是非常重要的。

二、研究成果

超大规模晶体管在下一代电子设备的开发中备受关注。虽然已经报道了原子级薄的二硫化钼(MoS₂)晶体管，但是制造栅极长度低于1 nm的器件一直是个挑战。近日，清华大学田禾教授、任天令教授等研究人员使用石墨烯层的边缘作为栅电极，展示了具有原子级薄沟道和亚1 nm物理栅极长度的侧壁MoS₂晶体管。这种方法使用通过化学气相沉积生长的大面积石墨烯和二硫化钼薄膜，在2英寸的晶片上制造侧壁晶体管。这些器件的开/关比高达1.02 × 10⁵，亚阈值摆幅值低至117 mV dec^–1。模拟结果表明MoS₂侧壁有效沟道长度在开态接近0.34 nm，在关态接近4.54 nm。这项工作可以促进下一代电子产品晶体管按比例缩小的摩尔定律。相关研究工作以“Vertical MoS₂ transistors with sub-1-nm gate lengths”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

值得一提的是，就在半个月前，2022年2月24日，清华大学罗三中等研究人员在《Science》上报道光催化反应实现了α-枝状醛的E/Z去消旋化，这种光催化反应使用常用的Ir光敏剂分子，结构简单的氨基分子作为催化剂。实现了以较高的选择性将消旋的α-枝状醛直接转化为E/Z中的其中一种对映体。这种光催化去消旋化反应成功的关键是：快速进行的光化学E/Z异构化反应动力学、亚胺/烯胺立体选择性互变异构。半个月内连发Science、Nature，太强了！祝贺清华大学！

三、图文速递

 图3. 0.34 nm栅长侧壁晶体管的电特性研究

 图4. TCAD仿真结果及基准测试

实现小尺寸晶体管是一个关键要求。图4f示出了栅极长度作为时间的函数的迭代过程。从2D平面器件到三维鳍式场效应晶体管(FinFET)以及进一步的全栅场效应晶体管，硅晶体管的结构已经逐渐改变，具有更好的栅可控性。与此同时，低维材料已经进入人们的视线，2016年，SWCNT栅MoS₂晶体管达到了1 nm的最小物理尺寸，栅极长度在过去四年中一直保持平稳。这项工作促进了侧壁结构，实现了单层材料门控原子通道。侧壁结构利用自然厚度方向，在这项工作中获得的0.34 nm的值是迄今为止的最终栅极长度。晶圆级CVD单层材料也可以实现未来的逻辑和电路集成。这项工作揭示了1纳米以下的摩尔定律。

四、结论与展望

2D材料为我们提供了将电子设备缩小到原子级别的机会。TMDCs具有良好的抗SCEs性能，石墨烯具有较高的导电性和超薄厚度。在这项工作中，MoS₂和石墨烯的边缘分别作为沟道和栅极，这使得0.34 nm栅极长度侧壁晶体管的实现成为可能。该侧壁结构有效地利用了石墨烯的天然超薄厚度，并显示出晶圆级生产。开/关比和SS值可分别达到1.02 × 10⁵和117 mV dec^-1。缩小EOT、减小沟道长度、提高MoS₂薄膜质量以及开发MoS₂的理想接触对于进一步提高性能至关重要。尽管如此，这项工作为缩小晶体管尺寸以接近物理极限提供了见解，并阐明了下一代1纳米以下的电子器件的可能性。

五、文献

文献原文：

关注『硕博测试圈』，后台回复“晶体管”，即可获取文献原文。

本文由e测试原创，未经允许，禁止转载。