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导读
近日，清华大学任天令教授团队在Nature报道首次实现了具有亚1纳米栅极长度的晶体管，上海交通大学陈国瑞副教授等人在Science报道了在石墨烯莫尔超晶格体系中强关联现象的首个光谱学证据。
清华Nature：首次实现亚1纳米栅长晶体管
近日，清华大学集成电路学院任天令教授团队在小尺寸晶体管研究方面取得重要进展，首次实现了具有亚1纳米栅极长度的晶体管，并具有良好的电学性能。
图1 亚1纳米栅长晶体管结构示意图
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。Intel公司创始人之一的戈登·摩尔（Gordon Moore）在1965提出：“集成电路芯片上可容纳的晶体管数目，每隔18-24个月便会增加一倍，微处理器的性能提高一倍，或价格下降一半。”这在集成电路领域被称为“摩尔定律”。过去几十年晶体管的栅极尺寸在摩尔定律的推动下不断微缩，然而近年来，随着晶体管的物理尺寸进入纳米尺度，造成电子迁移率降低、漏电流增大、静态功耗增大等短沟道效应越来越严重，这使得新结构和新材料的开发迫在眉睫。根据信息资源词典系统（IRDS2021）报道，目前主流工业界晶体管的栅极尺寸在12nm以上，如何促进晶体管关键尺寸的进一步微缩，引起了业界研究人员的广泛关注。下载化学加APP，阅读更有效率。
图2 随着摩尔定律的发展，晶体管栅长逐步微缩，本工作实现了亚1纳米栅长的晶体管
学术界在极短栅长晶体管方面做出了探索。2012年，日本产业技术综合研究所在国际电子器件大会（IEDM）报道了基于绝缘衬底上硅实现V形的平面无结型硅基晶体管，等效的物理栅长仅为3纳米。2016年，美国的劳伦斯伯克利国家实验室和斯坦福大学在《科学》（Science）期刊报道了基于金属性碳纳米管材料实现了物理栅长为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，本研究团队巧妙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的MoS2沟道的开关，从而实现等效的物理栅长为0.34nm。通过在石墨烯表面沉积金属铝并自然氧化的方式，完成了对石墨烯垂直方向电场的屏蔽。再使用原子层沉积的二氧化铪作为栅极介质、化学气相沉积的单层二维二硫化钼薄膜作为沟道。具体器件结构、工艺流程、完成实物图如下所示：
图3 亚1纳米栅长晶体管器件工艺流程，示意图，表征图以及实物图
研究发现，由于单层二维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、关闭，其关态电流在pA量级，开关比可达105，亚阈值摆幅约117mV/dec。大量、多组实验测试数据结果也验证了该结构下的大规模应用潜力。基于工艺计算机辅助设计（TCAD）的仿真结果进一步表明了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。这项工作推动了摩尔定律进一步发展到亚1纳米级别，同时为二维薄膜在未来集成电路的应用提供了参考依据。
图4 统计目前工业界和学术界晶体管栅极长度微缩的发展情况，本工作率先达到了亚1纳米
上述相关成果以“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 gate lengths）为题，于3月10日在线发表在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上。论文通讯作者为清华大学集成电路学院任天令教授和田禾副教授，清华大学集成电路学院2018级博士生吴凡、田禾副教授、2019级博士生沈阳为共同第一作者，其他参加研究的作者包括清华大学集成电路学院2020级硕士生侯展、2018级硕士生任杰、2022级博士生苟广洋、杨轶副教授和华东师范大学通信与电子工程学院孙亚宾副教授。
任天令教授团队长期致力于二维材料器件技术研究，从材料、器件结构、工艺、系统集成等多层次实现创新突破，先后在《自然》（Nature）、《自然·电子》（Nature Electronics）、《自然·通讯》（Nature Communications）等知名期刊以及国际电子器件会议（IEDM）等领域内顶级国际学术会议上发表多篇论文。清华大学的研究人员得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、北京市自然基金委、北京信息科学与技术国家研究中心等的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04323-3
上海交大Science：在石墨烯莫尔超晶格体系中强关联现象的首个光谱学证据
近日，《Science》以“Spectroscopy signatures of electron correlations in a trilayer graphene/hBN moiré superlattice”为题发表了上海交通大学物理与天文学院陈国瑞副教授与美国麻省理工物理系巨龙助理教授课题组等的合作研究成果，报道了在石墨烯莫尔超晶格体系中强关联现象的首个光谱学证据。
强关联（电子-电子相互作用）是凝聚态物理中的重要概念，其带来了很多重要的物理现象，比如磁性、高温超导等。近几年，人们通过将相同或不同二维材料进行转角堆叠制备出二维莫尔超晶格（例如魔角石墨烯），并在此类材料中发现了强关联现象，包括Mott绝缘体、超导、轨道磁性、陈绝缘体、Wigner晶体等，并随之产生了许多有趣的问题，为研究强关联物理提供了一个全新的平台。在众多莫尔超晶格体系中，ABC-三层石墨烯/氮化硼超晶格具有丰富的可调控性，人们可简单的通过调节栅极电压，实现对体系中载流子浓度、关联强度和拓扑性质的连续调节，进而在ABC-三层石墨烯莫尔超晶格中原位实现金属、Mott绝缘体、超导体以及陈绝缘体。但受限于顶层栅极金属的存在，之前的实验工作主要集中在电学输运测量，缺少重要的谱学信息。下载化学加APP，阅读更有效率。
图1. (A) ABC-三层石墨烯/氮化硼莫尔超晶格器件与FTIR光电流测量示意图；(B) 价带-导带能隙的光学跃迁；(C) Mott绝缘态的光学跃迁。
为了对莫尔超晶格体系中的关联强度等基本信息进行直接探测，此项工作将器件的顶栅设计成在红外波光有一定透射率的镍铬合金，利用傅里叶变换红外光电流光谱（Fourier transform infrared photocurrent spectroscopy）对ABC-三层石墨烯莫尔超晶格的强关联态（Mott绝缘态）进行了测量研究。随着增加垂直方向电场，通过测量价带到导带的光学跃迁光谱，在实验上观测到了三层石墨烯莫尔超晶格的能带宽度会减小的趋势，并且观测到在实验范围内最小能带宽度可到~12 meV, 明显小于估算的电子-电子间的库伦能~25 meV，支持了关联效应在体系中占主导作用的理论。进一步，通过调节载流子浓度，将体系调节到v = 1/2 Mott绝缘态，即每个莫尔超晶格中两个电子，观测到了一个能量在18 meV的光学跃迁，通过分析得出，此跃迁对应Lower Hubbard Band（LHB）到Upper Hubbard Band（LHB）的光学跃迁，即体系中的电子间库伦能，与估算的~25 meV接近。并且通过进一步分析，可排除 v = 1/2的Mott绝缘态是自旋（spin）或谷（valley）极化的可能性。这一实验结果直接证明了三层石墨烯莫尔超晶格体系中强关联效应的存在，并在实验上给出了与描述强关联体系的Hubbard model相关的能量尺度，对精确描述莫尔超晶格中的强关联提供了实验支持。同时，此项工作展示了三层石墨烯莫尔超晶格的丰富物理与傅里叶变换红外光电流光谱在相关体系测量中的独特优势。
陈国瑞长聘教轨副教授为论文共同第一作者，主要合作者为美国麻省理工学院巨龙助理教授和杨纪翔博士、韩添艺博士，物理与天文学院长聘教轨副教授史志文也参与了工作，为论文的共同作者。研究得到了国家重点研发基金、国家自然科学基金、上海交通大学的资助。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3036
来源：化学加整理自自清华大学、上海交通大学
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