近日，beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所呂勁研究員、beat365電子學院邱晨光研究員、清華大學集成電路學院田禾副教授共同在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上發表綜述，對近期二維材料晶體管接近理論極限的一系列工作進行總結和展望。論文題目為：“二維晶體管的近期實驗突破：逼近理論極限”（Recent Experimental Breakthroughs on 2D Transistors: Approaching the Theoretical Limit）。

矽基摩爾定律由于短溝道效應的限制難以延續，二維材料是延續摩爾定律的潛在溝道材料。呂勁課題組之前的一系列理論計算表明，二維材料晶體管可以在亞10納米物理栅長極限下滿足下一代電子器件的性能标準（Quhe, R., et al., Phys. Rep. 2021），（圖1）。研究成果曾獲得2021年北京市自然科學二等獎和2021年中國電子學會科學技術獎自然科學三等獎。然而，由于實驗技術的瓶頸，二維晶體管相對于最先進的矽晶體管的優勢的理論預測一直缺乏具體證據。

圖1.典型二維材料晶體管的理論開态電流

為了達到二維材料晶體管的理論極限，需要在縮短物理栅長和溝道長度、優化金屬-二維半導體接觸、減薄有效氧化物厚度等方面實現突破（圖2），而對于集成電路而言，還需要與傳統的矽基工藝集成。近期的一系列實驗工作在這些方面均有重大進展，國内學者表現非常突出。這篇綜述總結了二維晶體管的最新實驗進展。

圖2.實現二維材料晶體管理論極限的要素

研究人員為了将二維場效應晶體管（2D FETs）縮小至極限尺寸，做出了巨大的努力，如圖3所概括的。2016年，Desai等人首次實驗實現了1納米栅長的雙層MoS₂FETs，顯示出約10^-9mA μm^-1的低漏電流，接近理想的65 mV/dec的亞阈值擺幅，以及約10⁶的開關比。最近，清華大學的田禾課題組巧妙地利用了半金屬單層石墨烯的邊緣（0.34納米）作為晶體管的栅極電極，實現了迄今最短的栅極長度（Wu, F., et al., Nature 2022）。其亞阈值斜率低至117 mV/dec，開關比達到1.02×10⁵，漏電流小于10^-9mA μm^-1，滿足IRDS對低功耗邏輯器件的要求。

圖3.縮短栅長

在金屬-二維材料界面處常常形成金屬誘導間隙态，從而産生高達10³~10⁶Ω μm的接觸電阻。如圖4所示，近期的實驗工作中，利用擴散摻雜相變、半金屬接觸、二維金屬接觸等方法，實現了接近量子極限的接觸電阻，最低的接觸電阻可以達到42 Ω μm。

圖4.優化接觸電阻

國際器件與系統路線圖（IRDS）要求3納米及以後技術節點的等效氧化層厚度（EOT）為1至0.9納米。2D材料的無懸挂鍵表面使得前體難以附着在2D材料上，導緻介電層表面粗糙并形成針孔，栅控能力下降。如圖5所示，近期的實驗中使用晶種層修飾表面的原子層沉積技術、轉移溝道技術、氧化原生介電層技術等，将EOT成功減薄至亞1納米，并實現了最低0.4納米的記錄。

圖5.減薄有效氧化層厚度

圖6中總結了2D FETs的五個方面的主要突破。在尺寸縮放方面，利用單層石墨烯的邊緣作為栅極電極的亞1納米栅極晶體管，實現了基于單層MoS₂的真正的“埃時代”。在電極工程方面，通過半金屬和二維金屬接觸實現了低電阻的n型歐姆接觸。在架構改革方面，2D Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅鳍狀氧化物異質結構實現了高長寬比和原子級平滑的界面，其界面粗糙度比矽鳍晶體管小一個數量級。在CMOS集成方面，實現了與矽CMOS電路兼容的低溫後端線制造，這一工藝适用于200毫米晶圓級的單層MoS₂。

圖6.二維材料晶體管的近期進展

最引人注目的是，beat365的邱晨光課題組通過結合高質量的超薄介電層（EOT為0.4納米）以及钇誘導的絕緣體-金屬相變歐姆接觸，在2D InSe FET中觀察到了理論預測的卓越性能（Jiang, J., et al., Nature 2023）。與最先進的矽FinFETs相比，2D InSe FET具有更快的速度、更低的能耗和更高的彈道比。這是第一次直接證據顯示2D FETs在單設備性能上超越矽FETs。這大大增強了将2D FETs作為矽FETs的後繼者的信心。該項突破也入選了兩院院士評選2023年中國十大科技進展。

北方工業大學機械與材料工程學院的李鴻副教授、beat365官方网站博士生李秋卉、黎穎、楊宗蒙為共同第一作者。beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所呂勁研究員、beat365電子學院邱晨光研究員、清華大學集成電路學院田禾副教授為文章的共同通訊作者。本項目獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金的大力支持。

文章鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202402474