小于1纳米晶体管问世！

原创 DT半导体材料 2024-07-05 18:08

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近日，韩国基础科学研究所（IBS）研究团队成功开发出亚纳米级半导体逻辑电路的方法。这一突破性技术展示了宽度小于1nm的一维金属材料，并将其应用于二维电路的开发。新型一维金属在超小型化二维晶体管中充当栅极电极。相关研究成果以“Integrated 1D epitaxial mirror twin boundaries for ultrascaled 2D MoS2 field-effect transistors”为题，发表于Nature Nanotechnology。

这一突破性的成果不仅代表了下一代半导体技术的重大突破，而且代表了基础材料科学的重大突破。

突破传统限制的新技术

1965 年，Intel 公司创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出“摩尔定律”：“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。

自从第一块集成电路建成以来，在摩尔定律引领下，硅 (Si) 晶体管的栅极尺寸朝着更加小型化发展。然而近年来，随着晶体管的物理尺寸缩小至“纳米”尺度，尤其是当栅极长度 (Lg) 缩小到 5 nm 以下时，出现短沟道效应 (SCE)，包括直接源漏隧道电流和漏极诱导势垒降低 (DIBL) 效应，极大影响缩放极限。

另外，随着集成电路线宽的不断减小，光刻机的分辨率成为摩尔定律继续前进的关键。半导体器件的集成度取决于栅极电极的宽度和控制效率，栅极电极控制晶体管中的电子流动。然而在传统的半导体制造工艺中，由于光刻分辨率的限制，一直无法将栅极长度减小到几纳米以下。

因此科学家们将重点关注到新结构以及新材料。

基于二维半导体的集成器件即使在原子尺度的材料极限厚度下仍具有优异的性能，是全球基础和应用研究的一大热点。然而，要实现这种可以在几纳米范围内控制电子运动的超小型晶体管器件，更不用说开发这种集成电路的制造工艺，一直面临着巨大的技术挑战。

为了解决这一技术问题，韩国基础科学研究所（IBS）范德华量子固体中心主任JO Moon-Ho领导的研究团队实施了一种新方法，实现了宽度小于 1 纳米的一维金属材料的外延生长。应用这项技术，该研究小组开发了一种二维半导体逻辑电路的新结构。值得注意的是，他们使用一维金属作为超小型晶体管的栅极电极。

（提供：基础科学研究所）

在该研究中，研究团队选择二维半导体二硫化钼（MoS2 ），将其中两个相邻晶体精确旋转 60°，通过位置控制外延生长实现反射镜面。随后，利用MoS2的镜像双边界（MTB）作为栅极，实现了宽度仅为0.4nm的栅极。

总所周知，在原子级薄的范德华材料中，晶界（相邻晶粒之间具有倾斜面内旋转的线缺陷）无处不在。如果倾斜角度是任意的，晶界会形成不均匀的亚晶格，从而产生不可控的局域电子态。而MoS2的镜面孪生边界（MTB ）是一种宽度仅为0.4 nm的一维金属。通过使用它作为栅电极，有望突破光刻工艺的限制。

（提供：基础科学研究所）

该团队，通过利用其终极一维 (1D) 特性（宽达 0.4 nm，长数十微米），将外延 MTB 作为 1D 栅极，构建集成的 2D 场效应晶体管 (FET)。经验证，一维MTB栅极的关键作用是将沟道长度缩短至3.9 nm，从而在低栅极电压下显著降低沟道关断电流。这展示了单个 FET 和阵列 FET 低功耗逻辑的最先进性能。

本研究开发的一维外延 MTB 栅极集成了耐高栅极电容的二维 FET，该实验提出了一种实现最终小型化的新合成路线。即是通过在原子水平上控制现有二维半导体的晶体结构并将其转换为一维MTB金属相来实现的。

与 FinFET 和 GAA 等技术相比，基于 1D MTB 的晶体管还具有独特的优势。研究人员表示，新型晶体管的“简单结构和极窄的栅极宽度最大限度地减少了寄生电容”，从而提高了稳定性。

为半导体行业开启了新的可能性

这项技术的重要性在于它超越了IEEE在国际设备和系统路线图（IRDS）中对2037年的预测。电气和电子工程师协会（IEEE）国际半导体技术路线图（IRDS）预测，2037年左右，半导体节点技术将达到约0.5纳米，晶体管栅极长度将达到12纳米。而IBS的研究团队展示了一维MTB（镜像双边界）栅极可以小到3.9nm的可能性。这一成果代表了半导体制造技术的重大进步。

JO Moon-Ho 评论：“通过外延生长实现的一维金属相是一种可应用于超尺度半导体工艺的新材料工艺，未来将成为开发各种低功耗、高性能电子器件的重要技术。”

这项创新技术不仅为半导体行业开启了新的可能性，而且随着研究的不断深入和技术的进一步成熟，基于MTB的亚纳米晶体管有望在未来的电子器件中广泛应用，为低功耗、高性能的电子设备提供更为强大的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01706-1

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