第一作者：吴凡、田禾、沈阳

通讯作者：任天令、田禾

通讯单位：清华大学

主要内容

对于下一代电子器件的发展，超小尺度的晶体管受到广泛关注。虽然目前相关文献报道了原子层MoS₂厚度晶体管，制备小于1 nm的晶体管器件仍是个非常巨大的挑战课题。

有鉴于此，清华大学集成电路学院任天令、田禾等报道实现了原子层厚度沟道的垂直MoS₂晶体管器件，通过石墨烯作为栅极电极，首次构建了<1 nm的晶体管。通过化学气相沉积大面积的石墨烯和MoS₂，在2英寸晶圆上构建晶体管器件，器件的开关比达到1.02×10⁵，阈下摆幅值低于117 mV dec^-1，模拟结果显示MoS₂晶体管在打开状态的有效尺寸仅仅0.34 nm，关闭状态尺寸为4.54 nm。这项工作为Moore定律突破晶体管的尺度下限提供机会，有助于发展下一代电子学器件。

图1. 亚1纳米栅长晶体管结构示意图

研究背景

自从1960年代人们首次在晶硅上搭建大规模集成电路，硅基晶体管的发展一直都遵循着Moore定律规则，逐步降低晶体管的尺寸，能够在芯片上构建更多数量的晶体管。目前，硅基晶体管的大小接近了理论所能达到的极限，硅晶体管的尺寸已经小于5 nm，理论分析结果认为进一步缩小器件的大小面临短沟道效应SCE（short channel effects），导致源极-栅极隧穿电流、漏致势垒降低DIBL（drain-induced barrier lowering），因此无法进一步降低硅晶体管的尺寸。

目前基于V形槽湿法刻蚀技术得到的最好Si晶体管尺寸为3 nm，因此需要寻找新型材料能够突破目前尺寸规律的限制。

二维材料的机会

图2. 0.34 nm尺寸单层MoS₂晶体管器件结构和表征 (a-f) 晶体管制备方法 (a) 化学气相沉积石墨烯薄膜 (b) 沉积Al层 (c) Al层自动氧化 (d) SiO₂刻蚀 (e) 原子层沉积HfO₂ (f) 化学气相沉积石墨烯转移、图案化、沉积金属电极 (g) 单层MoS₂构建的0.34 nm晶体管示意图 (h) SEM着色图 (i) 晶体管器件的TEM图 (j) 元素分布EDS图 (k) 在2英寸晶圆上搭建的晶体管光学图。

近些年间二维材料受到广泛关注，被认为有可能成为下一代电子学器件的主要材料。石墨烯作为一种半金属材料具有较高的导电性，能够作为电极材料，MoS₂作为一种代表性的二维过渡金属硫化物半导体，具有比Si（1.18 eV）更高的能带宽度（2.0 eV）；MoS₂作为一种n型半导体，具有更大的有效质量、更低的介电常数，因此能够避免产生SCE效应。MoS₂材料由于具有以上的优异性能，被认为是替换Si用于未来晶体管的材料。

新发展

作者制备了垂直MoS₂晶体管器件，其中使用小于1 nm的石墨烯作为晶体管栅极，通过大面积气相沉积的石墨烯和MoS₂实现晶圆尺寸大规模晶体管集成。使用铝屏蔽顶部石墨烯产生的垂直电场，因此有效电场来自石墨烯的边缘，这种电场只能够影响垂直MoS₂沟道中的一部分。化学气相沉积得到的石墨烯薄膜具有优异的导电性，能够有效的阻碍电压衰减。

尺寸为0.34 nm的垂直晶体管具有优异的开关比（1.02×10⁵）。计算模拟结果显示石墨烯的2D平面结构有助于实现栅极作用，能够耗尽与石墨烯平面相连的垂直MoS₂侧壁沟道。

这项工作为发展低于1 nm的晶圆量级晶体管提供机会，更加重要的一点在于，这项工作是迄今为止相关报道中栅极长度最小的晶体管。

意义

图3. 近些年晶体管尺寸的发展。

在各种晶体管中，电流从源极流动到漏极，该过程通过栅极控制电流，通过施加不同电压实现控制栅极的打开和关闭，因此栅极的大小对于晶体管的尺寸至关重要。

二维材料在新型电子学材料可能至关重要，2016年，斯坦福大学报道通过金属态碳纳米管和MoS₂构建了1 nm大小的栅极。清华大学这项工作实现了进一步突破性发展，通过单层石墨烯与MoS₂构建了0.34 nm（对应于单层石墨烯的原子层厚度）的栅极。未来能够比这项工作更小的晶体管基本上无法实现，因此这项工作可能意味着到达摩尔定律的终点线。

论文通讯作者为清华大学集成电路学院任天令教授和田禾副教授，清华大学集成电路学院2018级博士生吴凡、田禾副教授、2019级博士生沈阳为共同第一作者，其他参加研究的作者包括清华大学集成电路学院2020级硕士生侯展、2018级硕士生任杰、2022级博士生苟广洋、杨轶副教授和华东师范大学通信与电子工程学院孙亚宾副教授。

参考文献

Wu, F., Tian, H., Shen, Y. et al. Vertical MoS₂ transistors with sub-1-nm gate lengths. Nature 603, 259–264 (2022)

DOI: 10.1038/s41586-021-04323-3

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04323-3