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国产芯片研究有新突破!低于 1nm 场效应晶体管器件来了

2021 年 4 月 29 日

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

2021 年 4 月 29 日 15:132857

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