北京清华半导体研究登《自然》：实现世界上栅长最小电晶体

北京清华半导体研究登《自然》：实现世界上栅长最小电晶体。图为亚1纳米栅长电晶体结构示意图。（北京清华大学提供）

澎湃新闻15日报导，北京清华大学积体电路学院教授任天令近日带领团队，在小尺寸电晶体研究方面取得突破，首次实现了具有亚1奈米栅极长度的电晶体，并具有良好的电学性能。

电晶体作为晶片的核心元器件，更小的栅极尺寸能让晶片上集成更多的电晶体，并提升性能。

1965年，英特尔公司创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出：「积体电路晶片上可容纳的电晶体数目，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。」这在积体电路领域被称为「摩尔定律」。

过去几十年，电晶体的栅极尺寸在摩尔定律的推动下不断微缩。但近年随着电晶体的物理尺寸进入奈米尺度，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。因此，新结构和新材料的开发迫在眉睫。

目前主流工业界电晶体的栅极尺寸在12奈米以上，如何促进电晶体关键尺寸的进一步微缩，引起了学术界的广泛关注。2016年，美国劳伦斯柏克莱国家实验室和史丹佛大学在《科学》（Science）期刊报导了团队利用金属性碳奈米管材料和二硫化钼（MoS2），实现了物理栅长仅为1奈米的平面硫化钼电晶体。

为进一步突破1奈米以下栅长电晶体的瓶颈，任天令团队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二硫化钼（MoS2）沟道的开关，从而实现等效的物理栅长为0.34奈米。相关成果近日线上发表于《自然》（Nature）期刊。

「我们已经实现了世界上栅极长度最小的电晶体。」任天令表示。研究发现，由於单层二维二硫化钼薄膜，相较于体矽材料，具有更大的有效电子品质和更低的介电常数，在超窄亚1奈米物理栅长控制下，电晶体能有效的开启、关闭，大量、多组实验测试资料结果也验证了该结构下的大规模应用潜力。

基于工艺电脑辅助设计（TCAD）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电晶体的电学性能情况。这项研究工作推动了摩尔定律进一步发展到亚1奈米级别，同时为二维薄膜在未来积体电路的应用提供了参考依据。

「在相当长的一段时间内，要打破这一纪录是非常困难的。」纽约州立大学水牛城分校奈米电子学科学家Huamin Li评价道，这项新工作将栅极的尺寸极限进一步缩小到「仅一层碳原子的厚度」。

论文通讯作者为清华大学积体电路学院教授任天令和副教授田禾，清华大学博士生吴凡、沈阳和田禾为共同第一作者，其他参加研究的作者包括清华大学硕士生侯展、任杰、博士生苟广洋、副教授杨轶和华东师范大学通信与电子工程学院副教授孙亚宾。