人民网北京3月15日电 （记者李依环、孙竞）记者从清华大学获悉，近日，该校集成电路学院教授任天令团队在小尺寸晶体管研究方面取得重要进展。首次实现了具有亚1纳米栅极长度的晶体管，并具有良好的电学性能。3月10日，相关成果以“具有亚1纳米栅极长度的垂直硫化钼晶体管”为题在线发表在国际学术期刊《自然》上。

亚1纳米栅长晶体管结构示意图。图片来源：清华大学

晶体管是芯片的核心元器件，更小的栅极尺寸可以使得芯片上集成更多的晶体管，并带来性能的提升。据报道，目前主流工业界晶体管的栅极尺寸在12纳米以上。2012年，日本产业技术综合研究所在国际电子器件大会报道了基于绝缘衬底上硅实现V形的平面无结型硅基晶体管，等效的物理栅长为3纳米。2016年，美国劳伦斯伯克利国家实验室和斯坦福大学在《科学》期刊报道了基于金属性碳纳米管材料实现了物理栅长为1纳米的平面硫化钼晶体管。

为进一步突破1纳米以下栅长晶体管的瓶颈，任天令研究团队巧妙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MoS2沟道的开关，从而实现等效的物理栅长为0.34纳米。通过在石墨烯表面沉积金属铝并自然氧化的方式，完成了对石墨烯垂直方向电场的屏蔽。再使用原子层沉积的二氧化铪作为栅极介质、化学气相沉积的单层二维二硫化钼薄膜作为沟道。

亚1纳米栅长晶体管器件工艺流程示意图、表征图以及实物图。图片来源：清华大学

研究发现，由于单层二维二硫化钼薄膜相较于体硅材料具有更大的有效电子质量和更低的介电常数，在超窄亚1纳米物理栅长控制下，晶体管能有效的开启、关闭，其关态电流在pA量级，开关比可达105，亚阈值摆幅约117mV/dec。大量、多组实验测试数据结果也验证了该结构下的大规模应用潜力。

此外，基于工艺计算机辅助设计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，晶体管的电学性能情况。这项工作推动了摩尔定律进一步发展到亚1纳米级别，同时为二维薄膜在未来集成电路的应用提供了参考依据。

据悉，论文通讯作者为清华大学集成电路学院教授任天令、副教授田禾，清华大学集成电路学院2018级博士生吴凡、副教授田禾、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、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。

任天令教授团队长期致力于二维材料器件技术研究，从材料、器件结构、工艺、系统集成等多层次实现创新突破，先后在《自然》、《自然·电子》、《自然·通讯》等知名期刊以及国际电子器件会议等领域内顶级国际学术会议上发表多篇论文。

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