近日,湖南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功制備出了超短溝道的二硫化鉬(MoS2)垂直場效應(yīng)晶體管(VFET),其厚度小至3納米,溝道長度約0.65納米,幾乎只有一個(gè)原子的大小,能在很大程度上提高芯片的性能。
溝道是指MOS管中源區(qū)和漏區(qū)之間的一薄半導(dǎo)體層。一般來說,溝道長度越短,芯片的集成度越高,性能越好,功耗越低,開關(guān)的速度越快。MOS管是指金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
然而,受短溝道效應(yīng)、傳統(tǒng)高能金屬沉積技術(shù)、高精度光刻技術(shù)等因素限制,要想把溝道長度降低到10nm以下極為困難?!肮Ψ虿回?fù)有心人”,現(xiàn)今湖南大學(xué)研究者總算把這個(gè)數(shù)值降到了0.65nm。
簡單來說,研究人員采用了低能量的范德華(vdW)金屬電極集成方法,以MoS2作為半導(dǎo)體溝道的薄層,然后將預(yù)制備的金屬電極物理層,壓到二硫化鉬溝道的頂部,即可得到MoS2垂直晶體管。該方法不僅大大推動(dòng)了晶體管器件的縮放極限,而且還保留二維半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和固有特性,形成原子級別平整的金屬-半導(dǎo)體界面,以減少隧穿電流。
研究表明,在垂直晶體管溝道長度為0.65nm和3.6nm的情況下,仍可以實(shí)現(xiàn)26和1000的開關(guān)比,可見開關(guān)比性能提升了兩個(gè)數(shù)量級。雖然超短溝道使得開關(guān)比有所下降,但是低溫電學(xué)測試表明,這種晶體管仍保持了電子發(fā)射為主導(dǎo)的特性。
另外,研究者還將這種方法應(yīng)用于二硒化鎢、二硫化鎢等層狀半導(dǎo)體,都實(shí)現(xiàn)了3nm以下厚度的垂直場效應(yīng)晶體管。該研究成果已以“Transferred van der Waals metal electrodes for sub-1-nm MoS2 vertical transistors”為題發(fā)表在《Nature Electronics》上。