新2手机管理端(www.9cx.net):湖南大学让晶体管小至3纳米,沟道长度仅一层原子 | Nature子刊_新2备用网址(www.122381.com)

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月石一 发自 凹非寺

量子位 报道 | 民众号 QbitAI

湖南大学团队乐成实现了超短沟道的垂直场效应晶体管(VFET)。

沟道长度可以缩短到0.65nm,险些只有一个原子的巨细。

这项研究的论文登上了《Nature Electronics》。

要知道,受短沟道效应、传统高能金属沉积手艺、高精度光刻手艺等限制,想把沟道长度降低到10nm以下是异常难题的。

现在,这项研究为芯片性能提升提供了新思绪。

范德华金属电极集成

为什么这么说?

首先要从MOS管的全称――金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)提及。

“N型”与“P型” 是凭证极性划分的两种半导体,它们可以单向导电。

就NPN型MOS管来说,由于单向导电性的缘故原由,NPN之间存在两个PN结,因此无法导通。

于是,需要在P区上方依次放上二氧化硅绝缘层和金属板,这就是栅极(G),两个N型半导体则划分对应漏极(D)和源极(S)。

△图源: ***

在栅极接电后,它能够将P区中的电子吸引到两块N型半导体之间,从而在源极和漏极之间形成了沟道。

在宽度稳固的条件下,沟道长度(L)越短,开关的速率越快。

现在,新研究让这一数值小至0.65nm,这无疑是一项重大突破。

简朴来说,研究职员接纳了范德华(vdW)金属电极集成方式,以二硫化钼(MoS2)作为半导体沟道的薄层甚至单原子层。

然后,将预制备的金属电极物理层,压到二硫化钼沟道的顶部,最终获得了MoS2 VFET。

结构横截面是这样的:

与传统的金属沉积手艺相比,这种新方式能保留二维半导体的晶格结构和固有特征,从而形成原子级别平整的金属-半导体界面,削减隧穿电流。

通过范德华金属-半导体界面的隧穿光谱图像,可以考察到原子级分辨率的平均二维晶格稳固结构。

直接沉积的金属-半导体界面的隧穿光谱图像,显示出显著的晶格畸变和高导电路径(红色圆圈)。

芯片苦「亚纳米」久矣

半导体产业一直遵照的“摩尔定律”指出:

集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月(另一说法为2年)便会增添一倍;微处置器的性能提高一倍,或价钱下降一半。

为知足高性能微缩器件的需求,晶体管的尺寸不停缩小,随之而来也泛起了一系列问题:迁徙率降低、泄电流增大、隧穿电流增大、功耗增添等。

这些都是严重的短沟道效应,这说明平行晶体管的导电沟道长渡过短,微缩方式已经迫近了物理极限。

△图中L为沟道长度

与之差其余垂直晶体管最先受到关注,其纵向的结构具有自然的短沟道特征,半导体沟道位于底电极与顶部电极之间,沟道长度仅取决于质料厚度。

然则从图中可以看出,在纵向结构中,接触界面(红色线条)直接关系到沟道长度,从而影响电学性能。

也就是说,对垂直晶体管举行微缩时,必须要思量对金属-半导体间接触界面的影响。

随着物理极限的迫近,芯片性能已经不能单纯地依赖晶体管数目,曾经的“业界铁律”可能要失效了,半导体行业逐渐进入“后摩尔时代”。

现在,研究团队使用范德华金属集成法,乐成实现了有用沟道长度小于1nm的垂直场效应晶体管。

经由测试,研究职员发现,在垂直晶体管沟道长度为0.65nm和3.6nm的情形下,仍可以实现26和1000的开关比,开关比性能提升了两个数目级。

虽然超短沟道使得开关比有所下降,然则低温电学测试解释,这种晶体管仍保持了电子发射为主导的特征。

此外,这种方式还具有普适性。研究职员将这种方式用于二硒化钨、二硫化钨等层状半导体,都实现了3nm以下厚度的垂直场效应晶体管。

以此项研究为基础,有望进一步缩小真正的物理沟道长度,脱节高精度光刻手艺和刻蚀手艺的限制。

不仅为生产亚3nm级别垂直晶体管带来了希望,还可用于提高范德华异质结器件界面的工艺水平。

论文地址:

https://www.nature.com/articles/s41928-021-00566-0

参考链接:

[1]http://spe.hnu.edu.cn/info/1081/5942.htm

[2]https://techxplore.com/news/2021-06-molybdenum-disulfide-vertical-transistors-channel.html

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