科学家找到“生长”亚纳米尺寸晶体管的方法

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由基础科学研究所 (IBS) 范德华量子固体研究中心主任 Jo Moon-Ho 领导的研究小组实施了一种新方法，实现了宽度小于 1 纳米的一维金属材料的外延生长。该小组应用此工艺开发了一种用于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。
这项研究发表在《自然纳米技术》上。
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。
半导体器件的集成度取决于控制晶体管中电子流动的栅极电极的宽度和控制效率。在传统的半导体制造工艺中，由于光刻分辨率的限制，将栅极长度减小到几纳米以下是不可能的。
为了解决这一技术难题，研究团队利用二维半导体二硫化钼（MoS 2）的镜孪晶界（MTB）为一维金属，宽度仅为0.4纳米这一特性，将其作为栅极电极，突破了光刻工艺的限制。
该图显示了基于 1D 镜像双边界门的集成电路的光学显微镜图像（左）、构成电路的超小型晶体管和反相器器件的示意图（中）以及这些器件的性能评估（右）。研究团队开发的 1D 镜像双边界工艺不仅限于单个器件的小型化，还成功用于构建大面积、高度集成的电子电路。图片来源：基础科学研究所
本研究通过在原子水平上控制现有二维半导体的晶体结构，将其转化为一维 MTB，实现了一维 MTB 金属相。这不仅代表了下一代半导体技术的重大突破，也代表了基础材料科学的重大突破，因为它展示了通过人工控制晶体结构大面积合成新材料相。
IEEE 的《国际器件与系统路线图》（IRDS）预测，到 2037 年，半导体节点技术将达到 0.5 纳米左右，晶体管栅极长度为 12 纳米。研究团队证明，由1D MTB 栅极施加的电场调制的通道宽度可以小至 3.9 纳米，大大超出了未来的预测。
研究团队开发的 1D MTB 基晶体管在电路性能方面也具有优势。用于硅半导体器件小型化的 FinFET 或 Gate-All-Around 等技术由于器件结构复杂，容易产生寄生电容，导致高集成电路不稳定。而 1D MTB 基晶体管由于结构简单、栅极宽度极窄，可以将寄生电容降至最低。
赵文浩所长表示，“通过外延生长实现的一维金属相是一种新型材料工艺，可应用于超微型半导体工艺，有望成为未来开发各种低功耗、高性能电子设备的关键技术。”