近日，在2020國(guó)際電子器件大會(huì)（IEDM）上，微電子所劉明院士科研團(tuán)隊(duì)展示了二硫化鉬（MoS2）負(fù)電容晶體管（NCFET）的最新研究成果。成果顯示：MoS2 NCFE溝道長(zhǎng)度能縮短至100nm，并實(shí)現(xiàn)了超低的亞閾值擺幅（亞閾值擺幅是衡量晶體管開(kāi)啟與關(guān)斷狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換速率的性能指標(biāo)。）、較低回滯和較高的開(kāi)態(tài)電流密度。這也就意味著未來(lái)集成電路或能快速向低功耗方向發(fā)展。
集成電路是一種微型電子器件或部件，其廣泛應(yīng)用于電視機(jī)、音響、影碟機(jī)、錄像機(jī)、電腦、電子琴、通信、遙控、報(bào)警器等設(shè)備中。
現(xiàn)今，為了降低集成電路的功耗，制造商們常向柵極中引入鐵電材料的“負(fù)電容晶體管”，這樣能突破傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的亞閾值擺幅開(kāi)關(guān)極限，進(jìn)而使之有望在極低的電源電壓下工作。
二硫化鉬是一種低維度的半導(dǎo)體材料，具有類(lèi)似于石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)。由于具有厚度極薄、遷移率較高、關(guān)態(tài)電流極低和CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）兼容的制造工藝等優(yōu)勢(shì)，MoS2也就自然而然地成為了先進(jìn)晶體管的可選溝道材料之一。
近期的一些實(shí)驗(yàn)顯示，MoS2 NCFET能實(shí)現(xiàn)低于60mV/dec的亞閾值擺幅。但是這些研究?jī)H實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)溝道（大于500nm）的器件，沒(méi)有完全發(fā)掘和利用負(fù)電容效應(yīng)在短溝道晶體管中的優(yōu)勢(shì)。
針對(duì)該問(wèn)題，劉明院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)器件參數(shù)以及制造工藝的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，首次把MoS2 NCFET的溝道長(zhǎng)度微縮至83nm，并實(shí)現(xiàn)了較低回滯和較高的開(kāi)態(tài)電流密度，且亞閾值擺幅極低（SSmin=17.23 mV/dec和SSave=39 mV/dec）。相比基準(zhǔn)器件，其平均亞閾值擺幅從220 mV/dec提高至39 mV/dec，溝道電流在VGS=0 V和1.5 V下分別提高了346倍和26倍。這項(xiàng)工作推動(dòng)了MoS2 NCFET尺寸持續(xù)微縮，對(duì)此類(lèi)器件面向低功耗應(yīng)用有一定意義。
基于上述研究成果的論文“Scaling MoS2 NCFET to 83 nm with Record-low Ratio of SSave/SSRef.=0.177 and Minimum 20 mV Hysteresis”入選2020 IEDM。
