中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-010）———超短沟道长度的垂直场效应晶体管

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工作简介

         ——超短沟道长度的垂直场效应晶体管

随着高性能器件的发展需求，器件尺寸的持续微缩是必然趋势。摩尔定律指出：“集成电路芯片上所集成的电子器件的数目，每隔18-24个月就翻一倍；微处理器的性能提高一倍，或价格下降一半。”，根据摩尔定律，器件的工艺节点以0.7倍的速率递减。然而，近年来，遵循摩尔定律的既定路线已经开始动摇，随着器件小型化至纳米尺度，晶体管开始出现迁移率降低、漏电流增大、功耗增加等严重的短沟道效应，这使得传统平行晶体管的微缩方法逼近物理极限。为了进一步微缩晶体管的尺寸，研究者们一直致力于开发新结构的电子器件。垂直晶体管具有天然的短沟道特性：其沟道长度仅由材料厚度决定，半导体沟道以三明治结构处于底电极与顶部电极之间。因此，垂直晶体管的研发有望作为一种全新的器件微缩方向，理论上可以将沟道物理长度缩小至10 nm以下，而不用依赖传统的高精度光刻技术。然而，受高能金属沉积技术的影响，垂直晶体管的金属半导体间形成了非常不理想的接触界面，此界面会破坏整个器件的沟道 （如图1），增加垂直隧穿电流，使器件不受栅极调控。这种现象在超短沟道器件下更加明显，使得垂直器件在10 nm沟道长度以下微缩面临巨大挑战。

图1. (a)具有非理想金属-半导体界面的垂直晶体管示意图。(b)非理想界面的传统平行晶体管示意图。L_C,沟道长度。

为了克服这一问题，湖南大学刘渊教授课题组采用低能量的范德华电极集成方式，实现了以二维半导体作为半导体沟道的薄层甚至单原子层的短沟道垂直器件。研究人员将预制备的金属电极物理层压到二维半导体沟道的顶部，保留了其本征的晶格结构及其固有特性，形成理想的范德华金属半导体界面（图2）。与传统的金属沉积技术形成的金属-半导体界面相比，该理想界面原子级别平整，减小了隧穿电流。通过对垂直器件进行微缩，该工作发现沟道长度为0.65 nm和3.6 nm的垂直器件仍可以实现26和1000的开关比，将垂直晶体管的开关比性能提升了两个数量级（图2）。此外，通过低温电学测试表明，在3.6 nm的极短沟道下，范德华垂直器件的工作机制仍以热电子发射为主导。这项研究有望为生产出拥有高性能的亚3 nm级别沟道长度的晶体管，以及制备其它因工艺水平限制而出现不完美界面的范德华异质结器件，为提升芯片性能提供了一种全新的低能耗解决方案。

图2.(a)使用范德华电极的硫化钼垂直晶体管制备过程。(b)器件的横截面示意图。(c)典型器件的光学图，展示了两种不同电极制备工艺在同一异质结上。(d)具有3.6 nm沟道长度的范德华垂直晶体管转移曲线。(e)具有0.65 nm沟道长度的范德华垂直器件转移曲线。

该工作以“Transferred van der Waals metal electrodes for sub-1-nm MoS₂ vertical transistors”为题，于2021年4月26日发表在《自然·电子学》（Nature Electronics）杂志上。湖南大学物理与微电子科学学院刘渊教授为文章通讯作者，博士研究生刘丽婷为文章的第一作者。湖南大学潘安练教授、廖蕾教授、段曦东教授为本项研究的主要合作者。这一工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

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作者简介

第一作者

刘丽婷，湖南大学物理与微电子科学学院2020级在读博士。

研究方向是垂直薄膜晶体管及其集成。目前已在学术期刊发表论文3篇，其中第一作者论文2篇。

通讯作者

刘渊，湖南大学物理与微电子科学学院教授，博士生导师。

刘渊教授于浙江大学获得学士学位，美国加州大学洛杉矶分校获得博士学位。主要研究方向为新型半导体微纳电子器件、二维晶体管、范德华异质结器件、柔性可穿戴器件。发表学术论文90余篇，引用12000余次。

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原文传递

详情请查看论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00566-0

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

文章来源“半导体学报”公众号

编辑：黄琦

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