进展 | 利用全二维材料构筑超短沟道晶体管取得突破

随着传统硅基半导体器件的小型化进程逐渐接近其物理极限，寻找新的材料、发展新的技术来使器件尺寸进一步缩小仍然是该领域的发展趋势。传统硅基场效应晶体管要求沟道厚度小于沟道长度的1/3，以有效避免短沟道效应。然而，受传统半导体材料的限制，沟道厚度不能持续减小。近几年来，利用二维半导体材料来构造短沟道晶体管器件已经成为一个前沿探索的热点课题。二维材料因其达到物理极限的厚度成为一种构造超短沟道晶体管的潜在材料，理论上可以有效降低短沟道效应。然而，构造一个真正的三端亚5纳米短沟道场效应晶体管器件来有效避免短沟道效应还存在技术上的挑战。

针对如何利用二维半导体材料构筑短沟道晶体管的问题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室N07组博士生谢立等在导师张广宇研究员、时东霞研究员的指导下，针对器件结构中的沟道、电极、及栅介质等几种核心材料，设计了一种基于全二维材料构筑的新型短沟道晶体管器件。针对接触电极材料，在课题组前期工作（Adv. Mater. 2010, 22, 4014; Adv. Mater. 2011, 23, 3061）基础上，发展了基于晶界的刻蚀和展宽技术制备出石墨烯纳米间隙电极，间隙尺寸在3纳米以上可控。然后，利用干法转移技术将作为沟道材料的单层二硫化钼与作为栅介质材料的少层氮化硼依次进行叠层，构造出具有一系列不同沟道长度的单层二硫化钼场效应晶体管器件，最小沟道长度为～4纳米。利用石墨烯作为电极和二硫化钼接触具有两方面的优点，即极低的接触电阻和极弱的边缘效应，从而达到电场对沟道载流子的高效调控。器件的电学测试结果表明：当沟道长度大于9纳米时，其关态电流小于0.3 pA/µm, 开关比大于10⁷，迁移率可达30 cm²V^-1s^-1，亚阈值摆幅～93 mV·dec⁻¹，漏致势垒降低<0.425 V·V⁻¹，短沟道效应可以忽略；当沟道长度低至4纳米时，短沟道效应开始出现但仍较弱。此外，这种短沟道器件可以承载超大电流密度>500 µA/µm，为目前报道的最高值。

本工作利用全二维材料构筑超短沟道场效应晶体管器件，验证了单层二硫化钼对短沟道效应的超强免疫性及其在未来5纳米工艺节点电子器件中的应用优势。相关结果发表在 Adv. Mater. 2017, 29, 1702522上，工作得到了国家重点基础研究发展计划（2016YFA0300904）、科技部973项目（2013CB934500, 2013CBA01602）、国家自然科学基金（61325021，51572289，11574361）、中科院前沿科学重点研究项目（QYZDB-SSW-SLH004）以及中科院先导（B）项目（XDB07000000）的资助。

图1 . (a) MoS2超短沟道器件顶栅结构侧视图。 (b、c) 9nm短沟道器件输出、转移特性曲线。(d) 4nm短沟道器件转移特性曲线。(e)器件性能随沟道长度变化的关系。