Nature重磅：清华大学任天令团队成功制备垂直沟

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

　　石墨烯和二硫化钼（MoS2）等二维材料的发现使人们认识到材料即使在数个原子层的尺度下也可以具有良好的电学性质。最近二十年来，科学家们试图将这些二维材料运用在晶体管中，以使得晶体管具有更小的体积，从而实现具有更高集成度的电子芯片。但是，尽管科学家们尝试多种手段，目前晶体管的有效栅极长度也难以下降到1纳米以下。

　　2022年3月9日，清华大学集成电路学院的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，相关结果发表《自然》（Nature）杂志上。果壳硬科技团队第一时间与任天令教授取得联系，他介绍道：“这项工作推动摩尔定律进一步发展到亚纳米级别，同时为二维纳电子材料在未来集成电路的应用提供了重要路径。”

　　传统MoS2晶体管的技术难点

　　晶体管是电子芯片的灵魂所在，如果把芯片看作是人类的大脑，那么晶体管就是大脑中的神经元。在典型的晶体管结构中，输入电极和输出电极（也称为源极和漏极）之间由沟道连接，控制电极（也称为栅极）依附在沟道上，并通过一层绝缘的介质层与沟道分隔。

　　控制电极能够起到开关沟道的作用，即通过向其施加高电平或低电平，继而决定输出电极是否能够利用沟道从输入电极获得相应的电流/电压信号，从而实现基本的逻辑运算。在传统的晶体管结构中，晶体管的尺寸主要受限于控制电极的长度。

　　“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。”任天令教授介绍。

　　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。为了规避这一技术瓶颈，科研团队创造性地使用了水平石墨烯层的边缘部分作为控制电极，使得控制电极的长度不受限于光刻技术。

　　传统MoS2晶体管结构，其中橙色部分表示输出和输入电极，浅棕色部分表示控制电极，砖红色部分表示介质材料，MoS2示意的分子层为沟道 | 参考文献[1]

　　垂直MoS2晶体管的优势

　　新制备的MoS2晶体管摒弃了传统的水平MoS2沟道，转而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”。

　　由此，“台阶”边缘就形成了竖直方向的MoS2沟道；同时，在“台阶”的内部设置了一个水平放置的单原子石墨烯层，石墨烯层的边缘与竖直的MoS2沟道通过“台阶”表面的二氧化铪（HfO2）隔离，从而形成控制电极。由于沟道方向竖直，控制电极的“长度”就变成了石墨烯层的厚度。

　　“MoS2材料具有更大的有效电子质量和更低的介电常数，可以有效缓解短沟道效应，而石墨烯具有天然的0.34 纳米超薄厚度。”任天令教授说，“这两种材料的结合能够产出本研究提出的亚纳米栅长晶体管”。

　　任天令教授团队制备的垂直MoS2晶体管结构示意图，其中Source（源极）和Drain（漏极）为输出和输入电极，monolayer graphene edge gate（栅极）为单层石墨烯边缘栅，即控制电极 | 参考文献[1]

　　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。

　　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。

　　应用前景

　　根据摩尔定律的预测，集成电路上晶体管的密度每隔两年将会翻一番。然而，受限于微电子加工技术的发展，目前芯片产业的现状已经远远滞后这一预测。如何能够在晶体管尺寸上取得飞跃，将现实重新拉回摩尔定律的预测轨迹，是芯片产业十多年来的梦想。任天令教授团队的研究成果将晶体管的控制电极长度直接减小到单层石墨烯的厚度，无疑给亚纳米级别晶体管的技术突破带来了曙光。