近日，清华大学集成电路学院教授任天令团队在小尺寸晶体管研究方面取得突破，首次制备出亚1纳米栅极长度的晶体管，其具有良好的电学性能。相关成果发表在最新一期《自然》杂志在线版上。

晶体管是芯片的核心元器件，更小的栅极尺寸能让芯片上集成更多的晶体管，并提升性能。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。但近年来，随着晶体管的物理尺寸进入纳米尺度，造成电子迁移率降低、漏电流增大、静态功耗增大等短沟道效应越来越严重。因此，新结构和新材料的开发迫在眉睫。

目前主流工业界晶体管的栅极尺寸在12纳米以上。学术界一直在探索如何获得极短栅长的晶体管。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的瓶颈，任天令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，将其作为栅极，通过石墨烯侧向电场来控制垂直的二硫化钼（MoS2）沟道的开关，从而实现等效的物理栅长为0.34纳米。3月20日，任天令在接受科技日报记者采访时说：“单层石墨烯厚度仅0.34纳米，因此采用石墨烯作为栅极，能够实现极短的栅极尺寸。石墨烯本身是平面结构，这就要求沟道是垂直结构，要实现垂直的沟道结构是其中一个难题。另外石墨烯除了侧壁能够栅控，其表面也能栅控，因此屏蔽石墨烯表面电场也是难点。”任天令团队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。

亚1纳米栅长晶体管结构示意图

（图片来源：清华大学官网）

研究发现，由于单层二维二硫化钼薄膜相较于体硅材料具有更大的有效电子质量和更低的介电常数，在超窄亚1纳米物理栅长控制下，晶体管能有效的开启、关闭，其关态电流在pA量级，开关比可达105，亚阈值摆幅约117mV/dec。大量、多组实验测试数据结果也验证了该结构下的大规模应用潜力。基于工艺计算机辅助设计（TCAD）的仿真结果进一步表明了石墨烯边缘电场对垂直二硫化钼沟道的有效调控，预测了在同时缩短沟道长度条件下，晶体管的电学性能情况。这项工作推动了摩尔定律进一步发展到亚1纳米级别，同时为二维薄膜在未来集成电路的应用提供了参考依据。

如何让1纳米以下栅长晶体管从实验室成果走向产业化？任天令答道：“1纳米以下栅长晶体管只是一个维度的尺寸微缩，未来还需要配合沟道的微缩，而这需要借助光刻机，比如把沟道尺寸通过极紫外（EUV）光刻进一步微缩到5纳米，并进一步实现超大规模的芯片。”

如果说这项研究实现世界上栅长最小晶体管，推动摩尔定律进一步发展到亚1纳米级别，是否意味着这也是一个新的开始，将会有新的探索——诞生更小级别的晶体管？“是的，这确实是新的开始，还将会有新的探索——诞生更小级别的晶体管。”面对记者的提问，任天令肯定地回答道，“前提是能够研发出更小原子尺寸的单层材料。目前在元素周期表上比碳原子小的材料是潜在的候选者，但需要注意，比碳原子小的这些材料目前还不存在单原子层结构，因此未来诞生更小级别的晶体管难度很大。比如利用氢原子来进行栅极控制很可能是晶体管栅极长度的终极尺寸，但是制备金属氢本身就是世界性难题，虽然《科学》2017年报道了金属氢，但是金属氢极不稳定，且不存在单原子层结构，因此难度很大。”

那么，在未来集成电路的应用中，这种二维薄膜将赋予相关产品怎样与众不同的性能？任天令介绍说：“二维薄膜的未来集成电路将会带来柔性、更高密度、透明的电子产品，比如目前很热点的柔性电子屏幕，但目前的CPU不是柔性的，如果采用了二维材料，就有机会实现一个全柔性的手机，包括CPU、存储器也可以是柔软的。对于本工作而言，我们团队在实现世界上栅长最小晶体管基础上，还实现了更低功耗的晶体管，这就意味着未来的芯片可以更加节能。”

“这次的科研工作，属于研究团队经过长期积累获得的一个成果，中间的过程充满挑战。这一工作是中国自主知识产权，未来我们还将继续进行沟道微缩及大规模芯片集成等工作，为中国芯作出一份贡献。”任天令强调。