中国半导体十大研究进展候选推荐（2022-001）——首次实现亚1纳米栅长晶体管

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工作简介

         ——首次实现亚1纳米栅长晶体管

晶体管作为芯片的核心元器件，更小的栅极尺寸能让芯片上集成更多的晶体管，并带来性能的提升。Intel公司创始人之一的戈登·摩尔（Gordon Moore）在1965提出：“集成电路芯片上可容纳的晶体管数目，每隔18-24个月便会增加一倍，微处理器的性能提高一倍，或价格下降一半”，这在集成电路领域被称为“摩尔定律”。过去几十年晶体管的栅极尺寸在摩尔定律的推动下不断微缩，然而近年来，随着晶体管的物理尺寸进入纳米尺度，漏电流增大、静态功耗增大等短沟道效应越来越严重，这使得新结构和新材料的开发迫在眉睫。根据IRDS 2021报告，目前主流工业界晶体管的栅极尺寸在12 nm以上，如何促进晶体管关键尺寸的进一步微缩，引起了业界研究人员的广泛关注。

图1. 随着摩尔定律的发展，晶体管栅长逐步微缩，本工作实现了亚1纳米栅长的晶体管。

图2. 亚1纳米栅长晶体管器件工艺流程，示意图，表征图以及实物图。

学术界在极短栅长晶体管方面做出了探索。2012年，日本产业技术综合研究所在国际电子器件大会（IEDM）报道了基于绝缘衬底上硅实现V形的平面无结型硅基晶体管，等效的物理栅长仅为3纳米。2016年，美国的劳伦斯伯克利国家实验室和斯坦福大学在《科学》（Science）期刊报道了基于金属性碳纳米管材料实现了物理栅长为1纳米的平面硫化钼晶体管。为进一步突破1纳米以下栅长晶体管，本团队巧妙利用石墨烯薄膜超薄的单原子层厚度和优异的导电性能，通过石墨烯侧向电场来控制垂直MoS₂沟道的开关，从而实现0.34纳米的等效物理栅长。通过在石墨烯表面沉积金属铝并自然氧化的方式，完成了对石墨烯垂直方向电场的屏蔽。再使用原子层沉积的二氧化铪作为栅极介质、化学气相沉积的单层二维二硫化钼薄膜作为沟道。

上述相关成果以“具有亚1纳米栅极长度的垂直硫化钼晶体管”（Vertical  MoS₂ transistors with sub-1-nm gate lengths）为题，于3月9日在线发表在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上。论文通讯作者为清华大学集成电路学院任天令教授和田禾副教授，清华大学集成电路学院博士生吴凡、田禾副教授、博士生沈阳为共同第一作者。清华大学的研究人员得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、北京市自然基金委、北京信息科学与技术国家研究中心等的支持。

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作者简介

通讯作者

任天令，清华大学信息科学技术学院副院长，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，博士生导师。

近年来，承担国家自然科学重点基金、国家重大科技专项、国家公益性行业科研专项、国家重大仪器专项、国家863计划、国家973计划等多项国家重要科技项目，做出一系列具有重要国际影响的创新学术成果。主要研究方向为智能微纳电子器件、芯片与系统，包括：智能传感器与智能集成系统，二维纳电子器件与芯片，柔性、可穿戴器件与系统，智能信息器件与系统技术等。在国内外重要学术期刊和会议发表论文600余篇，包括Nature、Nature Electronics、Nature Communications、Science Advances、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Letters、Biosensors & Bioelectronics、Nanoscale、Carbon、IEEE Electron Device Letters、IEEE Journal of Solid-State Circuits、IEEE Transactions on Electron Devices、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques、IEEE Sensors Journal，以及国际微电子领域顶级会议IEDM论文等；获国内外发明专利70余项。荣获中国电子学会自然科学一等奖（排名1）。

担任或曾任IEEE电子器件学会副主席（中国大陆首次）、IEDM执委（中国大陆首次）、IEEE电子器件学会教育委员会主席（中国大陆首次）、中国微米纳米技术学会理事、IEEE电子器件学会杰出讲师、IEEE EDTM 执委、IEEE JEDS编委、IEEE Transactions on Nanotechnology 编委等学术任职。

通讯作者

田禾，清华大学集成电路学院副教授，集成纳电子所副所长，国家优秀青年基金获得者，博士生导师。

近年来主要研究领域包括基于二维材料（石墨烯、二硫化钼、黑磷等）的新型微纳电子器件：晶体管、存储器、传感器/执行器等。在Nature、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、 Nano Letters、ACS Nano、IEEE TED、IEEE EDL等期刊发表SCI论文150余篇，微电子器件领域顶级会议IEDM10篇，论文总他引超过5000次，h因子40。主持国家自然基金优秀青年基金及面上项目、北京市自然基金项目等，获中国电子学会自然科学一等奖（排名3），教育部霍英东青年教师基金，入选中国科协青年托举工程，以及首届中国电子学会优秀博士论文等。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04323-3

《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！

半导体学报公众号

微信号 : JournalOfSemicond

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编辑：黄琦

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