二維半導(dǎo)體晶體管實際溝道長度的極限

高性能單層二硫化鉬晶體管的實現(xiàn)讓科研界看到了二維半導(dǎo)體的潛力，二維半導(dǎo)體材料的發(fā)展讓我們看到了晶體管縱向尺寸下目前的縮放極限（< 1 nm），同樣的科學(xué)家們也沒有停止追尋二維半導(dǎo)體晶體管橫向尺寸的極限（也就是晶體管溝道長度的縮放極限）。我們知道目前的工藝節(jié)點已經(jīng)發(fā)展到5 nm以下，工藝節(jié)點名稱的含義早就不再是實際的柵極或者半節(jié)距（half-pitch）長度，更多的應(yīng)該理解在延續(xù)摩爾定律下的一個工藝代稱，實際制備的晶體管的溝道長度是大于節(jié)點名稱的，且基于當(dāng)前的EUV以及硅基工藝體系，實際溝道長度的縮小越來越難。與傳統(tǒng)硅基工藝相比，目前二維半導(dǎo)體晶體管的制備大多采用EBL（電子束光刻）工藝，它可以實現(xiàn)更小尺寸溝道器件的制備，可以制備的二維半導(dǎo)體晶體管的實際溝道尺寸達到10 nm以下，這和EBL工藝本身的分辨率強相關(guān)，然而單單通過EBL工藝本身帶來的溝道尺寸縮小也已經(jīng)發(fā)展到了極限。在當(dāng)前技術(shù)體系下硅基晶體管的實際溝道長度不能低于5 nm，而二維半導(dǎo)體材料則沒有這一限制，因此如何實現(xiàn)更小溝道尺寸的二維半導(dǎo)體材料晶體管以及其性能的探索一直是一個熱點科研問題，今天要講解的兩篇文章分別發(fā)表在Science和Nature上，文章中分別用碳納米管和石墨烯作為柵電極，實現(xiàn)了1 nm以及< 1 nm溝道長度的二硫化鉬晶體管，這也是當(dāng)時二維半導(dǎo)體晶體管實際溝道長度的極限。

文章一：MoS2 transistors with 1-nanometer gate lengths

圖1 Si基和MoS2晶體管源漏隧穿電流（MoS2明顯優(yōu)于Si基）

圖2 器件結(jié)構(gòu)以及表征測試

圖3 器件的電學(xué)性能測試及TCAD仿真

圖4 MoS2薄膜厚度對器件性能影響

文章2：Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths

圖1 0.34 nm溝道長度側(cè)壁晶體管和其他晶體管結(jié)構(gòu)對比

圖2 0.34 nm溝道長度側(cè)壁晶體管結(jié)構(gòu)與表征

圖3 0.34 nm溝道長度側(cè)壁晶體管的電學(xué)性能

圖4 TCAD仿真結(jié)構(gòu)及性能對比

這兩篇文章中，作者關(guān)于器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計都有著自己獨特的巧思，想到是一個層次，真正實現(xiàn)又是另一個層次，不管是工藝制備的實現(xiàn)以及后續(xù)對于器件的TCAD仿真結(jié)果的實現(xiàn)都需要很多的知識積累。從這兩篇文章可以看到二硫化鉬晶體管在1 nm甚至1 nm溝道尺寸之下仍有著相當(dāng)好的性能表現(xiàn)，它們可以說是二維材料發(fā)展路上的兩盞明燈，指引我們繼續(xù)二維的探索。