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清华大学制出1nm以下的MoS2晶体管

2022-03-16 14:07:43 综合报道 阅读:
在最新的《自然》(Nature)杂志上,清华大学集成电路学院的任天令教授团队发表了史上最小栅极长度的晶体管的研发成果,该文指出任天令教授团队成功制备了具有垂直结构的超小型MoS2晶体管,首次实现了0.34纳米的有效栅极长度。并概述了他们是如何实现亚1纳米栅长晶体管,并解释了为什么他们认为任何人都很难打破他们的记录。

据EDN电子技术设计报道,在最新的《自然》(Nature)杂志上,清华大学集成电路学院的任天令教授团队发表了史上最小栅极长度的晶体管的研发成果,该文指出任天令教授团队成功制备了具有垂直结构的超小型MoS2晶体管,首次实现了0.34纳米的有效栅极长度。并概述了他们是如何实现亚1纳米栅长晶体管,并解释了为什么他们认为任何人都很难打破他们的记录。XyHednc

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过去几十年来,晶体管的栅极尺寸不断微缩。然而,随着近年晶体管的物理尺寸进入纳米尺度,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,这使得开发新结构和新材料迫在眉睫。根据IRDS2021,目前主流工业界晶体管的栅极尺寸在12 nm以上,如何促进晶体管关键尺寸的进一步微缩,引起了广泛研究人员的兴趣。XyHednc

在最基本的情况下,晶体管是源极和漏极,栅极控制它们之间的电流,它根据施加的电量打开和关闭。在目前的技术中,MoS2晶体管利用原子层级别厚度的MoS2材料来实现超薄的沟道。但是,该MoS2沟道通常是输入电极和输出电极所附着的水平材料层,因此对附着在MoS2沟道的控制电极来说,其长度极限主要取决于光刻工艺的尺寸分辨率,也即取决于制作芯片的光刻机在水平方向上是否能够做出足够小的结构。XyHednc

为进一步突破1纳米以下栅长晶体管的瓶颈,清华大学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0.34nm。XyHednc

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图3:0.34 nm 栅长侧壁晶体管的 EDS 成像XyHednc

为了制作它们的栅极以及与之配套的源极和漏极,研究人员新制备的MoS2晶体管摒弃了传统的水平MoS2沟道,在输入电极和输出电极之间搭建了一个铺有单分子层MoS2 的“台阶”,创建了一种多层材料夹层,底部硅层用作基底,其被一层石墨烯覆盖,然后是一层氧化铝。XyHednc

接下来,他们蚀刻材料以去除一半晶体管的顶层,留下阶梯配置以暴露石墨烯层的边缘,使其可以用作栅极。然后,他们用一层氧化铪覆盖晶体管的两个部分,以在源极和漏极之间并通过栅极创建通道。最后,他们添加了两个金属电极,一个在台阶的上部作为源极,一个在“台阶”的下部作为漏极。XyHednc

另外,为了避免干扰,“台阶”在石墨烯层的上方还设置了一层铝来屏蔽竖直方向上的电场,从而保证了沟道仅受控于来自石墨烯层边缘的电场,也即保证了只有石墨烯层的边缘部分才是“有效”的栅极。XyHednc

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亚1纳米栅长晶体管器件工艺流程,示意图,表征图以及实物图XyHednc

通过实验测试,新制备的MoS2晶体管的沟道在开、关状态下的电流比可以达到1.02e5,关断过程中只需要最小117mV的电压变化即可将电流减小一个数量级。由此可见,该超小型晶体管同样具有优异的开关特性。XyHednc

参考链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-04323-3XyHednc

责编:Demi
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