二硫化钼晶體管有望延續摩爾定律

摩爾定律和它所代表的硬件計算能力指數提升是計算機科學飛速發展的基礎和證明之一。然而傳統的矽基金屬氧化物半導體場效應管越來越無力支持該定律的延續，引發了半導體行業對于摩爾定律失效的擔憂。按照國際半導體技術發展路線圖（ITRS）組織的要求，在2024年高性能（HP）和低功耗（LP）場效應管應分别縮小到6.8和5.8納米的尺寸，同時仍必須保持一系列較高的器件性能指标。傳統矽場效應管因為較強的短溝道效應在這個尺寸範圍裡早已力不從心，必須應用諸如納米線、超薄層和鳍狀等幾何構造改進技術才能提升性能表現，但仍無法完全滿足要求。由于計算機科學已經滲透進幾乎所有社會領域，包括科學研究，經濟活動和社會生活等等方方面面，摩爾定律的失效的影響已不會局限在半導體行業内，而有可能令人類社會整體放緩前進的速度。

為了延續摩爾定律，一些研究者将目光投向了其他新型材料，特别是低維材料：如一維的碳納米管，二維的過渡金屬二硫族化物（TMD）和黑磷。究其原因，低維材料因為維度低具有較小的短溝道效應，同時具有天然的光滑表面，缺陷幹擾相對較少，因而在更小尺寸下不少低維材料仍能保持較高輸運性能。尤其是以二硫化钼為代表的TMD材料，由于和其他二維材料相比具有較大能隙，同時還在空氣中穩定，因而在全世界範圍内備受矚目。實驗證明尺寸在數十到數百納米的二硫化钼場效應管的開關比和亞阈值搖擺（SS）令人眼前一亮，具有拯救摩爾定律的潛力。然而囿于實驗條件，目前仍然沒有亞10納米二硫化钼場效應管性能的直接實驗報道。在使用常規金屬電極的情況下，能否延續摩爾定律，仍亟待解答。

beat365呂勁課題組通過理論計算表明，钛做電極的二硫化钼場效應管（圖a）在亞10納米尺寸下仍然能保持可觀的性能：其開态電流與目前實驗上最好的改進矽場效應管在同一水平(圖c)，并且具有傲視其他材料的超低亞阈值搖擺（10納米時為63 mV/dec）。在考慮聲子散射後，10納米二硫化钼場效應管開态電流為715（高性能标準）和354（低功耗标準）mA/mm，可分别滿足ITRS标準下35%的2018年高性能場效應管要求和45%的2020年低功耗場效應管要求。配合其他改進手段，例如使用石墨烯或1T金屬性二硫化钼作電極，有可能令亞10納米二硫化钼場效應管達到ITRS标準，成為延續摩爾定律的新器件。

研究論文于2016年8月2日發表在Advanced Materials 的Sister journal Advanced Electronic Materials上（Zeyuan Ni, Meng Ye, Jianhua Ma, Yangyang Wang, Ruge Quhe, Jiaxin Zheng, Lun Dai（戴倫）, Dapeng Yu（俞大鵬）, Junjie Shi（史俊傑）, Jinbo Yang（楊金波）, Satoshi Watanabe, Jing Lu（呂勁）, “Performance Upper Limit of sub-10 nm Monolayer MoS2 Transistors”， Advanced Electronic Materials， Vol. 2, No. 9, 1600191 (2016) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201600191/full）。已畢業碩士倪澤遠（現為東京大學博士生），博士葉萌和已畢業本科生馬建華為并列第一作者。該研究工作還被WILEY出版集團科技網站Materials Views China以“為了摩爾定律的延續：單層二硫化钼場效應管在亞10納米的輸運性能理論極限研究”為題進行了專題評述（https://www.materialsviewschina.com/2016/09/22645/）。

發表在《科學》雜志上的最新實驗 (Science Vol. 354, Issue 6308, 99-102 (2016))表明二硫化钼器件在1納米溝道長度下仍然具有不俗表現，有力地支持了該結論。

上述研究工作得到了國家自然科學基金，國家重大研究計劃，人工微結構和介觀物理國家重點實驗室，量子物質科學協同創新中心，以及漢江學者計劃的支持。