清华团队首次实现亚1纳米栅长晶体管

晶体管是芯片的核心元器件，更小的栅极尺寸可以使得芯片上集成更多的晶体管，并带来性能的提升。

近日，清华大学集成电路学院任天令教授团队在小尺寸晶体管研究方面取得重要进展，首次实现了具有亚1纳米栅极长度的晶体管并具有良好的电学性能。3月10日，相关成果以“具有亚1纳米栅极长度的

垂直硫化钼晶体管”为题，在线发表在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上。

亚1纳米栅长晶体管结构示意图

英特尔公司创始人之一的戈登·摩尔1965提出：“集成电路芯片上可容纳的晶体管数目，每隔18-24个月便会增加一倍，微处理器的性能提高一倍，或价格下降一半。”这在集成电路领域被称为“摩尔定律”。过去几十年晶体管的栅极尺寸在摩尔定律的推动下不断微缩。然而近年来，随着晶体管的物理尺寸进入纳米尺度，造成电子迁移率降低、漏电流增大、静态功耗增大等短沟道效应越来越严重，使得新结构和新材料的开发迫在眉睫，目前主流工业界晶体管的栅极尺寸在12纳米以上。近年来学术界在极短栅长晶体管方面不断做出探索。

为进一步突破1纳米以下栅长晶体管的瓶颈，任天令研究团队巧妙利用石墨烯薄膜超薄的单原子层厚度和优异的导电性能作为栅极，通过石墨烯侧向电场来控制垂直的MoS2沟道的开关，从而实现等效的物理栅长为0.34纳米。通过在石墨烯表面沉积金属铝并自然氧化的方式，完成了对石墨烯垂直方向电场的屏蔽。再使用原子层沉积的二氧化铪作为栅极介质、化学气相沉积的单层二维二硫化钼薄膜作为沟道。基于工艺计算机辅助设计的仿真结果，进一步表明了石墨烯边缘电场对垂直二硫化钼沟道的有效调控，预测了在同时缩短沟道长度条件下晶体管的电学性能情况。这项工作推动了摩尔定律进一步发展到亚1纳米级别，同时为二维薄膜在未来集成电路的应用提供了参考依据。