湖南大學(xué)讓晶體管小至3納米，溝道長度僅一層原子 | Nature子刊
「亞納米晶體管」關(guān)鍵技術(shù)
月石一 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
湖南大學(xué)團隊成功實現(xiàn)了超短溝道的垂直場效應(yīng)晶體管（VFET）。
溝道長度可以縮短到0.65nm，幾乎只有一個原子的大小。
這項研究的論文登上了《Nature Electronics》。
要知道，受短溝道效應(yīng)、傳統(tǒng)高能金屬沉積技術(shù)、高精度光刻技術(shù)等限制，想把溝道長度降低到10nm以下是非常困難的。
現(xiàn)在，這項研究為芯片性能提升提供了新思路。
范德華金屬電極集成
為什么這么說？
首先要從MOS管的全稱——金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）說起。
“N型”與“P型” 是根據(jù)極性劃分的兩種半導(dǎo)體，它們可以單向?qū)щ姟?/p>
就NPN型MOS管來說，由于單向?qū)щ娦缘脑?，NPN之間存在兩個PN結(jié)，因此無法導(dǎo)通。
于是，需要在P區(qū)上方依次放上二氧化硅絕緣層和金屬板，這就是柵極（G），兩個N型半導(dǎo)體則分別對應(yīng)漏極（D）和源極（S）。
△圖源：wikipedia
在柵極接電后，它能夠?qū)區(qū)中的電子吸引到兩塊N型半導(dǎo)體之間，從而在源極和漏極之間形成了溝道。
在寬度不變的條件下，溝道長度（L）越短，開關(guān)的速度越快。
如今，新研究讓這一數(shù)值小至0.65nm，這無疑是一項重大突破。
簡單來說，研究人員采用了范德華（vdW）金屬電極集成方法，以二硫化鉬（MoS2）作為半導(dǎo)體溝道的薄層甚至單原子層。
然后，將預(yù)制備的金屬電極物理層，壓到二硫化鉬溝道的頂部，最終得到了MoS2 VFET。
結(jié)構(gòu)橫截面是這樣的：
與傳統(tǒng)的金屬沉積技術(shù)相比，這種新方法能保留二維半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和固有特性，從而形成原子級別平整的金屬-半導(dǎo)體界面，減少隧穿電流。
通過范德華金屬-半導(dǎo)體界面的隧穿光譜圖像，可以觀察到原子級分辨率的均勻二維晶格穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
直接沉積的金屬-半導(dǎo)體界面的隧穿光譜圖像，顯示出明顯的晶格畸變和高導(dǎo)電路徑（紅色圓圈）。
芯片苦「亞納米」久矣
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一直遵循的“摩爾定律”指出：
集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月（另一說法為2年）便會增加一倍；微處理器的性能提高一倍，或價格下降一半。
為滿足高性能微縮器件的需求，晶體管的尺寸不斷縮小，隨之而來也出現(xiàn)了一系列問題：遷移率降低、漏電流增大、隧穿電流增大、功耗增加等。
這些都是嚴重的短溝道效應(yīng)，這說明平行晶體管的導(dǎo)電溝道長度過短，微縮方法已經(jīng)逼近了物理極限。
△圖中L為溝道長度
與之不同的垂直晶體管開始受到關(guān)注，其縱向的結(jié)構(gòu)具有天然的短溝道特性，半導(dǎo)體溝道位于底電極與頂部電極之間，溝道長度僅取決于材料厚度。
但是從圖中可以看出，在縱向結(jié)構(gòu)中，接觸界面（紅色線條）直接關(guān)系到溝道長度，從而影響電學(xué)性能。
也就是說，對垂直晶體管進行微縮時，必須要考慮對金屬-半導(dǎo)體間接觸界面的影響。
隨著物理極限的逼近，芯片性能已經(jīng)不能單純地依賴晶體管數(shù)量，曾經(jīng)的“業(yè)界鐵律”可能要失效了，半導(dǎo)體行業(yè)逐漸進入“后摩爾時代”。
現(xiàn)在，研究團隊使用范德華金屬集成法，成功實現(xiàn)了有效溝道長度小于1nm的垂直場效應(yīng)晶體管。
經(jīng)過測試，研究人員發(fā)現(xiàn)，在垂直晶體管溝道長度為0.65nm和3.6nm的情況下，仍可以實現(xiàn)26和1000的開關(guān)比，開關(guān)比性能提升了兩個數(shù)量級。
雖然超短溝道使得開關(guān)比有所下降，但是低溫電學(xué)測試表明，這種晶體管仍保持了電子發(fā)射為主導(dǎo)的特性。
此外，這種方法還具有普適性。研究人員將這種方法用于二硒化鎢、二硫化鎢等層狀半導(dǎo)體，都實現(xiàn)了3nm以下厚度的垂直場效應(yīng)晶體管。
以此項研究為基礎(chǔ)，有望進一步縮小真正的物理溝道長度，擺脫高精度光刻技術(shù)和刻蝕技術(shù)的限制。
不僅為生產(chǎn)亞3nm級別垂直晶體管帶來了希望，還可用于提高范德華異質(zhì)結(jié)器件界面的工藝水平。
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00566-0
參考鏈接：
[1]http://spe.hnu.edu.cn/info/1081/5942.htm
[2]https://techxplore.com/news/2021-06-molybdenum-disulfide-vertical-transistors-channel.html
[3]https://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET#Structure_and_channel_formation
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