国产芯片研究有新突破！低于 1nm 场效应晶体管器件来了

湖南大学刘渊团队成功研究出 1nm 以下垂直晶体管器件。

垂直晶体管器件沟道长度降至 1nm 以下

4 月 26 日，《Nature Electronics》上发表了湖南大学刘渊团队的最新研究。该团队通过使用范德华金属集成的方法，成功将基于 MoS2 材料的垂直晶体管器件的沟道长度降低到了单原子层（小于 1 nm）级别。这一重要突破或将芯片性能提升到更高一层台阶。

研究文章显示，垂直晶体管的沟道长度由半导体的厚度决定。然而当前，由于高能金属化工艺往往会造成接触区域的损伤，因此短沟道垂直器件极难制造。

据 DeepTech 深科技报道，从 1989 年 1000 纳米的 486 芯片，到 2020 年 5 纳米的海思麒麟 9000 芯片，人类的芯片制造工艺在 30 年间进步迅速。然而，晶体管的物理沟道长度却在近些年来一直保持在 20 纳米的附近，无法随着工艺节点进一步降低。据了解，物理沟道长度是晶体管的一个关键性能指标：越短的沟道长度，意味着更好的性能。本次刘渊团队采用范德华金属集成技术，创建了沟道长度低至单原子层的 MoS2 垂直晶体管。

据了解，该方法使用预制的金属电极，该金属电极经过机械层压并转移到 MoS2/ 石墨烯垂直异质结构的顶部，从而使垂直场效应晶体管的开 / 关比分别为 26 和 1000，制备出的垂直晶体管沟道长度分别为 0.65nm 和 3.6 nm。

此外，利用扫描隧道显微镜和低温电学测量，刘渊团队发现，电学性能的改善源于高质量的金属 - 半导体界面，导致了隧穿电流和费米能级钉扎效应的最小化。团队认为，这种方法也可以推广到其他层状材料（二硒化钨和二硫化钨）中，从而产生具有亚 3nm 的 p 型和 n 型垂直场效应晶体管。

公开资料显示，刘渊是湖南大学物理与微电子科学学院教授、博士生导师，主要从事微纳半导体器件的研究。在相关领域发表学术论文 80 余篇，文章总引用 9000 余次，入选科睿唯安全球高被引学者，是《麻省理工评论》中国评选出的“35 岁科技创新 35 人”之一。刘渊团队课题组的目标是探索操作、处理和工程半导体材料和器件的新方案，以实现新的器件功能和前所未有的性能。

范德华集成带来的新突破

垂直场效应晶体管之所以取得了突破性发展，与二维材料和范德瓦尔斯异质结的兴起有关。有学者表示，在未来的集成电路、光电探测器、传感器等应用中，范德华异质结也将扮演重要的作用。

据了解，范德华异质结通过相对较弱的范德华相互作用力物理组装在一起，不仅仅是二维材料，包括零维的纳米颗粒，一维的纳米线和纳米棒，甚至三维材料，任意两种以范德华力相互作用的材料，都可以将使它们以一定的方式堆叠在一起，形成范德华异质结。这一系列方法可以被统称为范德华集成。

范德华集成作为一种通用的低能耗集成方法，可以提供无与伦比的自由，打破了材料集成传统方法的限制。这种范德华异集成策略适用于任何材料，尤其是适用于具有不同晶体结构、不同电子特性、不同尺寸和维度的材料的柔性集成。

这意味着，未来的微电子器件可以借助范德华集成，在提升性能的同时大大降低制造成本，甚至通过层层堆叠的方式获得半导体沟道、金属电极、互联、光电探测器、存储器甚至隔离和封装层。

参考链接：

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

http://www.nanoer.net/showinfo-32-8183.html

http://zhishifenzi.com/depth/newsview/7385?category=physics