湖南大学的超短沟道垂直场效应晶体管

诸平

据Ingrid Fadelli 2021年6月8日提供的消息——Molybdenum disulfide vertical transistors with channel lengths down to one atomic layer，中国湖南大学一团队的超短沟道垂直场效应晶体管研究，为半导体器件性能的进一步提升提供了全新的思路。

垂直晶体管，即通道长度取决于半导体厚度的晶体管，对于新一代电子设备的开发具有很高的价值。传统的平面晶体管是分层制造的，所有的连接可以在同一平面上，与之相比，垂直晶体管可能更便宜，也更容易制造。但是到目前为止，制作短通道长度的垂直晶体管设备被证明是非常具有挑战性的，主要是因为高能金属化过程会对接触区域造成损害。因此，找到制造具有较短通道长度的垂直晶体管的替代策略是实现此类设备大规模生产的关键一步。

中国湖南大学（Hunan University in China）物理学与电子学学院（School of Physics and Electronics），微纳光电子器件教育部重点实验室(Key Laboratory for Micro-Nano Optoelectronic Devices of Ministry of Education)；湖南大学材料科学与工程学院（College of Materials Science and Engineering），微纳物理与技术湖南省重点实验室（Key Laboratory for Micro-Nano Physics and Technology of Hunan Province）；湖南大学化学化工学院（College of Chemistry and Chemical Engineering），化学/生物传感与化学计量学国家重点实验室（State Key Laboratory of Chemo/Biosensing and Chemometrics）的研究人员最近设计了一种低能量范德华金属集成技术，用于制造短通道长度的二硫化钼(MoS₂)垂直晶体管。相关研究结果于2021年4月26日已经在《自然电子学》（Nature Electronics）杂志网站发表——Liting Liu, Lingan Kong, Qianyuan Li, Chenglin He, Liwang Ren, Quanyang Tao, Xiangdong Yang, Jun Lin, Bei Zhao, Zhiwei Li, Yang Chen, Wanying Li, Wenjing Song, Zheyi Lu, Guoli Li, Siyu Li, Xidong Duan, Anlian Pan, Lei Liao, Yuan Liu. Transferred van der Waals metal electrodes for sub-1-nm MoS2 vertical transistors. Nature Electronics, 2021, 4: 342–347. DOI: 10.1038/s41928-021-00566-0. Published: 26 April 2021.

https://www.nature.com/articles/s41928-021-00566-0

湖南大学物理与微电子科学学院消息显示，该院刘渊教授团队通过使用范德华金属集成的方法，实现了超短沟道的垂直场效应晶体管。据介绍，研究人员将预制备的金属电极物理层压到二硫化钼（MoS₂）沟道的顶部，保留了二维半导体的晶格结构及其固有特性，形成理想的范德华金属-半导体界面。与传统的金属沉积技术形成的金属-半导体界面相比，该理想界面原子级别平整，减小了隧穿电流。

通过对垂直器件进行微缩，该工作发现沟道长度为0.65 nm和3.6 nm的垂直器件仍可以实现26和1000的开关比，将垂直晶体管的开关比性能提升了两个数量级。

这种方法还可以运用到其他层状半导体作为沟道上，均实现了小于3 nm厚度的垂直场效应晶体管，证明了范德华电极集成对于垂直器件微缩的普适性。这项研究有望为生产出拥有超高性能的亚3 nm级别的晶体管，以及制备其它因工艺水平限制而出现不完美界面的范德华异质结器件，为提升芯片性能提供了一种全新的低能耗解决方案。

作者在此论文中概述了这种技术，利用这种技术，他们能够制造出通道长度只有一个原子层的垂直晶体管。研究人员在论文中写道:“我们发现，使用低能量范德瓦尔斯金属集成技术，可以制造出通道长度只有一个原子层的二硫化钼垂直晶体管。”“该方法使用预制金属电极，将其机械叠合并转移到MoS₂/石墨烯垂直异质结构上，从而产生垂直场效应晶体管，其通道长度分别为0.65 nm和3.60 nm，开关比分别为26和10³。”

刘丽婷（Liting Liu）和湖南大学团队的其他成员通过一系列测试和实验评估了他们制造的垂直场效应晶体管的性能。为了进行这些评估，他们使用了一种叫做扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy）的技术，并收集了低温下的电子测量数据。

研究人员在他们的论文中写道:“通过扫描隧道显微镜和低温电学测量，我们表明，改进的电学性能是高质量的金属-半导体界面的结果，直接隧道电流（direct tunneling current）和费米能级钉扎效应（Fermi-level pinning effect）最小化。”

在刘丽婷和她的同事进行的初步评估中，基于MoS₂的垂直晶体管取得了非常有前景的结果。实际上，与先前提出的通道长度较短的垂直器件相比，它们表现出了明显更好的电性能。该组研究人员开发的新型垂直晶体管最终能够制造出闸极长度更短的新型电子设备。

研究人员提出的金属集成技术也可以被其他团队用来制造类似的不同通道长度的垂直晶体管。此外，本文提出的集成方法也可应用于其他层状材料，如二硒化钨（WSe₂）和二硫化钨(WS₂)。这可能反过来使其他低于3 nm(sub-3-nm)的p型和n型垂直晶体管的制造成为可能。上述介绍仅供参考，欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Molybdenum disulfide vertical transistors with channel lengths down to one atomic layer 

Abstract

Vertical transistors—in which the channel length is determined by the thickness of the semiconductor—are of interest in the development of next-generation electronic devices. However, short-channel vertical devices are difficult to fabricate, because the high-energy metallization process typically results in damage to the contact region. Here we show that molybdenum disulfide (MoS₂) vertical transistors with channel lengths down to one atomic layer can be created using a low-energy van der Waals metal integration technique. The approach uses prefabricated metal electrodes that are mechanically laminated and transferred on top of MoS₂/graphene vertical heterostructures, leading to vertical field-effect transistors with on–off ratios of 26 and 10³ for channel lengths of 0.65 nm and 3.60 nm, respectively. Using scanning tunnelling microscopy and low-temperature electrical measurements, we show that the improved electrical performance is the result of a high-quality metal–semiconductor interface, with minimized direct tunnelling current and Fermi-level pinning effect. The approach can also be extended to other layered materials (tungsten diselenide and tungsten disulfide), resulting in sub-3-nm p-type and n-type vertical transistors.