图 晶体管栅长逐步微缩历程以及本工作实现的亚1纳米栅长晶体管微观图像
在国家自然科学基金项目（批准号：62022047、61874065、U20A20168、51861145202）等资助下，清华大学集成电路学院任天令教授团队及合作者在小尺寸晶体管研究方面取得新的进展。相关成果以“具有亚1纳米栅极长度的垂直硫化钼晶体管（Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gatelengths）”为题，于2022年3月9日在线发表在《自然》（Nature）期刊上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04323-3。
晶体管作为芯片的核心元器件，更小的栅极尺寸能让芯片上集成更多的晶体管，并带来性能的提升。晶体管的栅极尺寸在过去几十年不断微缩，随着尺寸进入纳米尺度，迁移率降低、漏电流增大、静态功耗增大等短沟道效应越来越严重，使得对新结构和新材料的开发迫在眉睫。
学术界在极短栅长晶体管方面做了探索，2012年，日本产业技术综合研究所在国际电子器件大会（IEDM）报道了在绝缘衬底上实现V形平面无结型硅基晶体管，等效的物理栅长仅为3纳米。2016年，美国劳伦斯伯克利国家实验室和斯坦福大学在Science上报道了基于金属性碳纳米管实现物理栅长为1纳米的平面硫化钼晶体管。为进一步突破1纳米以下栅长晶体管的瓶颈，研究团队利用石墨烯薄膜超薄的单原子层厚度和优异的导电性能作为栅极，通过石墨烯侧向电场来控制垂直二硫化钼沟道的开关，从而实现0.34纳米的等效物理栅长（图）。通过在石墨烯表面沉积并自然氧化金属铝的方式，对石墨烯垂直方向电场进行屏蔽，利用原子层沉积的二氧化铪作为栅极介质以及化学气相沉积的单层二硫化钼薄膜作为沟道完成器件的制备。
该研究发现，由于单层二硫化钼薄膜相较于体硅材料具有更大的有效电子质量和更低的介电常数，在超窄亚1纳米物理栅长控制下，晶体管能有效的开启和关闭，关态电流在皮安量级，开关比可达105，亚阈值摆幅约117 mV/dec。基于半导体器件模拟（TCAD）的仿真结果进一步表明石墨烯边缘电场对垂直二硫化钼沟道的有效调控，预测了在同时缩短沟道长度条件下，晶体管的电学性能情况。该工作推动晶体管栅极长度进一步发展到亚1纳米级别，同时为二维材料在未来集成电路的应用提供了新的路径。