近(jin)日，由科技(ji)日報社主辦、部分兩(liang)院院士和媒體(ti)(ti)人士共同(tong)評選出的(de)2022年國內(nei)十(shi)大(da)科技(ji)新聞(wen)揭(jie)曉，清華團隊首次(ci)制成(cheng)柵(zha)極(ji)長度(du)最(zui)小(xiao)的(de)晶體(ti)(ti)管入(ru)選2022年國內(nei)十(shi)大(da)科技(ji)新聞(wen)。
△亞(ya)1納米柵長(chang)晶(jing)體管結構(gou)示意圖(tu)
人類又向摩(mo)爾定律的極(ji)限(xian)發起挑戰(zhan)。這(zhe)一次(ci)，中國人扮(ban)演了探索者的角色。清(qing)華大學集(ji)成電路學院團(tuan)隊首次(ci)制備出亞1納(na)米(mi)柵極(ji)長度的晶(jing)體(ti)管(guan)，該晶(jing)體(ti)管(guan)具有良好(hao)的電學性能。相關成果在線發表在3月15日的《自然》雜志上。
過(guo)去幾十年，晶(jing)體管的柵極尺(chi)(chi)寸(cun)不斷(duan)微縮。隨著尺(chi)(chi)寸(cun)進(jin)入(ru)納米(mi)尺(chi)(chi)度(du)，電子遷移率降低、靜態功耗增大(da)等(deng)效(xiao)應越發嚴重。新結構和(he)新材料的開發迫在(zai)眉睫。目前主流工業界晶(jing)體管的柵極尺(chi)(chi)寸(cun)在(zai)12納米(mi)以(yi)上。為(wei)進(jin)一(yi)步突破(po)1納米(mi)以(yi)下柵長晶(jing)體管的瓶頸，研究(jiu)團隊巧妙利用石墨(mo)烯(xi)薄膜超薄的單(dan)原子層厚(hou)度(du)和(he)優異的導電性能作為(wei)柵極，通過(guo)石墨(mo)烯(xi)側向電場來控制(zhi)垂直的二硫(liu)化鉬（MoS_2）溝(gou)道的開關，從(cong)而實現等(deng)效(xiao)的物理柵長為(wei)0.34納米(mi)。
△隨著(zhu)摩爾(er)定律的發展，晶體(ti)管柵長逐步微縮(suo)，本研究實現了(le)亞1納米柵長的晶體(ti)管
團隊通過(guo)在石(shi)墨烯(xi)表(biao)面(mian)沉(chen)積金屬鋁(lv)并自然氧(yang)(yang)化(hua)(hua)的方式，完成了(le)對石(shi)墨烯(xi)垂(chui)直方向電場的屏蔽。再使用原子(zi)層沉(chen)積的二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鉿作(zuo)為柵(zha)極(ji)介(jie)質、化(hua)(hua)學氣相沉(chen)積的單層二(er)(er)維二(er)(er)硫化(hua)(hua)鉬薄(bo)膜作(zuo)為溝(gou)道(dao)。具體器件結構(gou)、工藝流程、完成實物圖如下所示：
△亞(ya)1納米柵長晶體管器件(jian)工(gong)藝流(liu)程、示(shi)意圖(tu)、表(biao)征圖(tu)以及實物圖(tu)
研究發現，由(you)于單層二維二硫化鉬薄(bo)膜(mo)相較(jiao)于體(ti)硅材(cai)料具有(you)更大的(de)有(you)效電子(zi)質(zhi)量(liang)和更低的(de)介電常數(shu)，在超窄亞1納米物(wu)理柵長控制(zhi)下，晶體(ti)管能(neng)有(you)效的(de)開啟、關閉，其(qi)關態電流在pA量(liang)級(ji)，開關比可達105，亞閾(yu)值擺(bai)幅約117mV/dec。大量(liang)、多組實驗測試數(shu)據(ju)結(jie)(jie)果也驗證(zheng)了該結(jie)(jie)構下的(de)大規模應(ying)用潛(qian)力。基于工藝計(ji)算機輔助設計(ji)（TCAD）的(de)仿真結(jie)(jie)果進(jin)一步(bu)表明了石墨(mo)烯邊緣電場(chang)對垂直二硫化鉬溝道的(de)有(you)效調控，預(yu)測了在同時縮短溝道長度條件下，晶體(ti)管的(de)電學(xue)性能(neng)情況。這(zhe)項(xiang)工作推動了摩(mo)爾(er)定律進(jin)一步(bu)發展到亞1納米級(ji)別，同時為二維薄(bo)膜(mo)在未來集(ji)成電路的(de)應(ying)用提供(gong)了參考依據(ju)。
△統計目前工業界和學術(shu)界晶(jing)體(ti)管柵極長度微縮的發展情況，本(ben)研究率先達到了亞1納(na)米
紐約州立(li)大(da)學布法羅(luo)分校納(na)米電子(zi)學家李(li)華民對此評價(jia)道：這(zhe)項新工(gong)作將柵極的(de)(de)(de)尺寸極限進一(yi)步縮小到僅一(yi)層(ceng)碳(tan)原子(zi)的(de)(de)(de)厚度，在相當長的(de)(de)(de)一(yi)段時間內，要打破這(zhe)一(yi)紀錄是非常困(kun)難的(de)(de)(de)。
單(dan)層石(shi)墨烯厚度僅0.34納米，本身是平(ping)面結(jie)構(gou)，這就要求溝道是垂直結(jie)構(gou)，這是一大(da)難題。另外石(shi)墨烯除了側(ce)壁能(neng)夠柵控(kong)，其表面也(ye)能(neng)柵控(kong)，因此(ci)屏(ping)蔽石(shi)墨烯表面電場也(ye)是難點(dian)，中國(guo)團(tuan)隊使用(yong)自氧化鋁層來完成這一點(dian)。
二維(wei)薄膜(mo)的未來(lai)集(ji)成電路將會(hui)帶來(lai)柔(rou)軟、透明(ming)、高密(mi)度的芯(xin)片。如果(guo)使用(yong)新(xin)材料，就有機(ji)會(hui)實現(xian)全柔(rou)性的手機(ji)——其(qi)CPU、存儲器(qi)都(dou)是(shi)軟的，而(er)且更加(jia)節能。
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