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單原子層溝道的鳍式場效應晶體管問世
 
2020-03-06 | 文章来源:沈阳材料科学国家研究中心        【 】【打印】【關閉

  20世紀40年代以來,以微電子技術爲主導的信息技術革命極大推動了科學技術的發展和社會的變革。過去幾十年來,微電子技術産業沿摩爾定律取得了突飛猛進的發展,按照摩爾定律的預測,集成電路可容納晶體管數目大約每兩年增加一倍。目前集成電路中可實現的最小加工尺寸爲3-5納米。當前,隨著集成電路特征尺寸逼近工藝和物理極限,進一步縮小晶體管器件特征尺寸極具挑戰。 

  相對于傳統的體矽半導體材料,近年來具有原子尺度的低維材料得到了快速發展,碳納米管、二維原子晶體等新材料不斷被嘗試用于構建晶體管的溝道材料或電極材料。近日,中科院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心科研人員與國內外多家單位合作,首次演示了可陣列化、垂直單原子層溝道的鳍式場效應晶體管(FinFET)(圖1),在《自然-通訊》(Nature Communications) 在線發表題爲單原子層溝道的鳍式場效應晶體管A FinFET with one atomic layer channel)的研究論文。 

  研究人員設計了高~300nm的矽晶體台階模板,通過濕法噴塗化學氣相沈積(CVD)方法,實現了與台階側壁共形生長的過渡族金屬硫化物單原子層晶體(MoS2WS2等)。通過采用多重刻蝕等微納加工工藝(圖2),制備出以單層極限二維材料作爲半導體溝道的鳍式場效應晶體管,同時成功制備出鳍式場效應晶體管陣列(圖3)。除此之外,嘗試了引入碳納米管替代傳統金屬作爲柵極材料,結果顯示該材料比傳統金屬柵具有更好的包覆性,可以有效提高器件性能。通過對數百個晶體管器件統計測量,測得電流開關比達107,亞阈值擺幅達300mV/dec(圖4a-d)。理論計算表明,所提出的鳍式場效應晶體管能夠實現優異的抗短溝道效應,如漏端引入的勢壘降低(DIBL)可以低至5mV/V(圖4e-f)。 

  該項工作將FinFET的溝道材料寬度減小至單原子層極限的亞納米尺度(0.6 nm)(圖5),同時,獲得了最小間距爲50 nm的單原子層溝道鳍陣列,該研究工作爲後摩爾時代的場效應晶體管器件的發展提供了新方案。 

  該工作由中科院金屬研究所與湖南大學、山西大學、中科院蘇州納米所、合肥強磁場科學中心、法國原子能總署等單位合作完成。金屬所韓拯、孫東明課題組主導了該研究項目工作,承擔器件制備與表征;湖南大學劉松課題組負責CVD生长;山西大学董宝娟博士承担有限元模拟工作;苏州纳米所邱松课题组提供了制备栅极材料的碳纳米管溶液;强磁场中心杜海峰课题组主导了相关透射电镜样品的制备与表征。陈茂林博士、孙兴丹博士、刘航硕士(湖南大学)为共同第一作者,韩拯、孙东明、刘松、董宝娟为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、中國科學院、沈阳材料科学国家研究中心、国家重点研发计划青年项目等项目支持。 

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图1:單原子層溝道的鳍式場效應晶體管。a)硅工艺FinFET的沟道材料、垂直二维原子晶体与单根碳纳米管尺寸对比示意图。b) 器件结构示意图。插图为截面示意图。c) 台阶共形生长的单层二维过渡族金属硫化合物示意图。d-e) 台阶模板扫描电镜照片,其中标尺分别为100 纳米(左)和1微米(右)。

图2: 器件工艺流程及扫描电镜照片。

图3: 可阵列化的单原子层鳍式晶体管形貌图(阵列最小间距为50纳米)。

图4: a)-d) 单原子层鳍式场效应晶体管的电学性能;e)-f) 有限元计算模拟。

图5: a) MOSFET场效应晶体管的几种构型;b) FinFE器件鳍宽的发展历程。

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