近日，由科技日報社主辦、部分兩院院士和媒體人士共同評選出的2022年國內十大科技新聞揭曉，清華團隊首次制成柵極長度最小的晶體管入選2022年國內十大科技新聞。

△亞1納米柵長晶體管結構示意圖

人類又向摩爾定律的極限發起挑戰。這一次，中國人扮演了探索者的角色。清華大學集成電路學院團隊首次制備出亞1納米柵極長度的晶體管，該晶體管具有良好的電學性能。相關成果在線發表在3月15日的《自然》雜志上。

過去幾十年，晶體管的柵極尺寸不斷微縮。隨著尺寸進入納米尺度，電子遷移率降低、靜態功耗增大等效應越發嚴重。新結構和新材料的開發迫在眉睫。目前主流工業界晶體管的柵極尺寸在12納米以上。為進一步突破1納米以下柵長晶體管的瓶頸，研究團隊巧妙利用石墨烯薄膜超薄的單原子層厚度和優異的導電性能作為柵極，通過石墨烯側向電場來控制垂直的二硫化鉬（MoS_2）溝道的開關，從而實現等效的物理柵長為0.34納米。

△隨著摩爾定律的發展，晶體管柵長逐步微縮，本研究實現了亞1納米柵長的晶體管

團隊通過在石墨烯表面沉積金屬鋁并自然氧化的方式，完成了對石墨烯垂直方向電場的屏蔽。再使用原子層沉積的二氧化鉿作為柵極介質、化學氣相沉積的單層二維二硫化鉬薄膜作為溝道。具體器件結構、工藝流程、完成實物圖如下所示：

△亞1納米柵長晶體管器件工藝流程、示意圖、表征圖以及實物圖

研究發現，由于單層二維二硫化鉬薄膜相較于體硅材料具有更大的有效電子質量和更低的介電常數，在超窄亞1納米物理柵長控制下，晶體管能有效的開啟、關閉，其關態電流在pA量級，開關比可達105，亞閾值擺幅約117mV/dec。大量、多組實驗測試數據結果也驗證了該結構下的大規模應用潛力。基于工藝計算機輔助設計（TCAD）的仿真結果進一步表明了石墨烯邊緣電場對垂直二硫化鉬溝道的有效調控，預測了在同時縮短溝道長度條件下，晶體管的電學性能情況。這項工作推動了摩爾定律進一步發展到亞1納米級別，同時為二維薄膜在未來集成電路的應用提供了參考依據。

△統計目前工業界和學術界晶體管柵極長度微縮的發展情況，本研究率先達到了亞1納米

紐約州立大學布法羅分校納米電子學家李華民對此評價道：這項新工作將柵極的尺寸極限進一步縮小到僅一層碳原子的厚度，在相當長的一段時間內，要打破這一紀錄是非常困難的。

單層石墨烯厚度僅0.34納米，本身是平面結構，這就要求溝道是垂直結構，這是一大難題。另外石墨烯除了側壁能夠柵控，其表面也能柵控，因此屏蔽石墨烯表面電場也是難點，中國團隊使用自氧化鋁層來完成這一點。

二維薄膜的未來集成電路將會帶來柔軟、透明、高密度的芯片。如果使用新材料，就有機會實現全柔性的手機——其CPU、存儲器都是軟的，而且更加節能。

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