湖南大学让晶体管小至3纳米，沟道长度仅一层原子 | Nature子刊

月石一 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

湖南大学团队成功实现了超短沟道的垂直场效应晶体管（VFET）。

沟道长度可以缩短到0.65nm，几乎只有一个原子的大小。

这项研究的论文登上了《Nature Electronics》。

要知道，受短沟道效应、传统高能金属沉积技术、高精度光刻技术等限制，想把沟道长度降低到10nm以下是非常困难的。

现在，这项研究为芯片性能提升提供了新思路。

范德华金属电极集成

为什么这么说？

首先要从MOS管的全称——金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）说起。

“N型”与“P型” 是根据极性划分的两种半导体，它们可以单向导电。

就NPN型MOS管来说，由于单向导电性的原因，NPN之间存在两个PN结，因此无法导通。

于是，需要在P区上方依次放上二氧化硅绝缘层和金属板，这就是栅极（G），两个N型半导体则分别对应漏极（D）和源极（S）。

△图源：wikipedia

在栅极接电后，它能够将P区中的电子吸引到两块N型半导体之间，从而在源极和漏极之间形成了沟道。

在宽度不变的条件下，沟道长度（L）越短，开关的速度越快。

如今，新研究让这一数值小至0.65nm，这无疑是一项重大突破。

简单来说，研究人员采用了范德华（vdW）金属电极集成方法，以二硫化钼（MoS2）作为半导体沟道的薄层甚至单原子层。

然后，将预制备的金属电极物理层，压到二硫化钼沟道的顶部，最终得到了MoS2 VFET。

结构横截面是这样的：

与传统的金属沉积技术相比，这种新方法能保留二维半导体的晶格结构和固有特性，从而形成原子级别平整的金属-半导体界面，减少隧穿电流。

通过范德华金属-半导体界面的隧穿光谱图像，可以观察到原子级分辨率的均匀二维晶格稳定结构。

直接沉积的金属-半导体界面的隧穿光谱图像，显示出明显的晶格畸变和高导电路径（红色圆圈）。

芯片苦「亚纳米」久矣

半导体产业一直遵循的“摩尔定律”指出：

集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月（另一说法为2年）便会增加一倍；微处理器的性能提高一倍，或价格下降一半。

为满足高性能微缩器件的需求，晶体管的尺寸不断缩小，随之而来也出现了一系列问题：迁移率降低、漏电流增大、隧穿电流增大、功耗增加等。

这些都是严重的短沟道效应，这说明平行晶体管的导电沟道长度过短，微缩方法已经逼近了物理极限。

△图中L为沟道长度

与之不同的垂直晶体管开始受到关注，其纵向的结构具有天然的短沟道特性，半导体沟道位于底部电极与顶部电极之间，沟道长度仅取决于材料厚度。

但是从图中可以看出，在纵向结构中，接触界面（红色线条）直接关系到沟道长度，从而影响电学性能。

也就是说，对垂直晶体管进行微缩时，必须要考虑对金属-半导体间接触界面的影响。

随着物理极限的逼近，芯片性能已经不能单纯地依赖晶体管数量，曾经的“业界铁律”可能要失效了，半导体行业逐渐进入“后摩尔时代”。

现在，研究团队使用范德华金属集成法，成功实现了有效沟道长度小于1nm的垂直场效应晶体管。

经过测试，研究人员发现，在垂直晶体管沟道长度为0.65nm和3.6nm的情况下，仍可以实现26和1000的开关比，开关比性能提升了两个数量级。

虽然超短沟道使得开关比有所下降，但是低温电学测试表明，这种晶体管仍保持了电子发射为主导的特性。

此外，这种方法还具有普适性。研究人员将这种方法用于二硒化钨、二硫化钨等层状半导体，都实现了3nm以下厚度的垂直场效应晶体管。

以此项研究为基础，有望进一步缩小真正的物理沟道长度，摆脱高精度光刻技术和刻蚀技术的限制。

不仅为生产亚3nm级别垂直晶体管带来了希望，还可用于提高范德华异质结器件界面的工艺水平。

论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00566-0

参考链接：
[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