近日，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所吕劲研究员、北京大学电子学院邱晨光研究员、清华大学集成电路学院田禾副教授共同在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上发表综述，对近期二维材料晶体管接近理论极限的一系列工作进行总结和展望。论文题目为：“二维晶体管的近期实验突破：逼近理论极限”（Recent Experimental Breakthroughs on 2D Transistors: Approaching the Theoretical Limit）。
硅基摩尔定律由于短沟道效应的限制难以延续，二维材料是延续摩尔定律的潜在沟道材料。吕劲课题组之前的一系列理论计算表明，二维材料晶体管可以在亚10纳米物理栅长极限下满足下一代电子器件的性能标准（Quhe, R., et al., Phys. Rep. 2021），（图1）。研究成果曾获得2021年北京市自然科学二等奖和2021年中国电子学会科学技术奖自然科学三等奖。然而，由于实验技术的瓶颈，二维晶体管相对于最先进的硅晶体管的优势的理论预测一直缺乏具体证据。
图 1. 典型二维材料晶体管的理论开态电流
为了达到二维材料晶体管的理论极限，需要在缩短物理栅长和沟道长度、优化金属-二维半导体接触、减薄有效氧化物厚度等方面实现突破（图2），而对于集成电路而言，还需要与传统的硅基工艺集成。近期的一系列实验工作在这些方面均有重大进展，国内学者表现非常突出。这篇综述总结了二维晶体管的最新实验进展。
图 2. 实现二维材料晶体管理论极限的要素
研究人员为了将二维场效应晶体管（2D FETs）缩小至极限尺寸，做出了巨大的努力，如图3所概括的。2016年，Desai等人首次实验实现了1纳米栅长的双层MoS2 FETs，显示出约10-9 mA μm-1的低漏电流，接近理想的65 mV/dec的亚阈值摆幅，以及约106的开关比。最近，清华大学的田禾课题组巧妙地利用了半金属单层石墨烯的边缘（0.34纳米）作为晶体管的栅极电极，实现了迄今最短的栅极长度（Wu, F., et al., Nature 2022）。其亚阈值斜率低至117 mV/dec，开关比达到1.02×105，漏电流小于10-9 mA μm-1，满足IRDS对低功耗逻辑器件的要求。
图 3. 缩短栅长
在金属-二维材料界面处常常形成金属诱导间隙态，从而产生高达103~106 Ω μm的接触电阻。如图4所示，近期的实验工作中，利用扩散掺杂相变、半金属接触、二维金属接触等方法，实现了接近量子极限的接触电阻，最低的接触电阻可以达到42 Ω μm。
图 4.优化接触电阻
国际器件与系统路线图（IRDS）要求3纳米及以后技术节点的等效氧化层厚度（EOT）为1至0.9纳米。2D材料的无悬挂键表面使得前体难以附着在2D材料上，导致介电层表面粗糙并形成针孔，栅控能力下降。如图5所示，近期的实验中使用晶种层修饰表面的原子层沉积技术、转移沟道技术、氧化原生介电层技术等，将EOT成功减薄至亚1纳米，并实现了最低0.4纳米的记录。
图 5. 减薄有效氧化层厚度
图6中总结了2D FETs的五个方面的主要突破。在尺寸缩放方面，利用单层石墨烯的边缘作为栅极电极的亚1纳米栅极晶体管，实现了基于单层MoS2的真正的“埃时代”。在电极工程方面，通过半金属和二维金属接触实现了低电阻的n型欧姆接触。在架构改革方面，2D Bi2O2Se/Bi2SeO5鳍状氧化物异质结构实现了高长宽比和原子级平滑的界面，其界面粗糙度比硅鳍晶体管小一个数量级。在CMOS集成方面，实现了与硅CMOS电路兼容的低温后端线制造，这一工艺适用于200毫米晶圆级的单层MoS2。
图 6.二维材料晶体管的近期进展
最引人注目的是，北京大学的邱晨光课题组通过结合高质量的超薄介电层（EOT为0.4纳米）以及钇诱导的绝缘体-金属相变欧姆接触，在2D InSe FET中观察到了理论预测的卓越性能（Jiang, J., et al., Nature 2023）。与最先进的硅FinFETs相比，2D InSe FET具有更快的速度、更低的能耗和更高的弹道比。这是第一次直接证据显示2D FETs在单设备性能上超越硅FETs。这大大增强了将2D FETs作为硅FETs的后继者的信心。该项突破也入选了两院院士评选2023年中国十大科技进展。
北方工业大学机械与材料工程学院的李鸿副教授、北京大学物理学院博士生李秋卉、黎颖、杨宗蒙为共同第一作者。北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所吕劲研究员、北京大学电子学院邱晨光研究员、清华大学集成电路学院田禾副教授为文章的共同通讯作者。本项目获得国家重点研发计划、国家自然科学基金的大力支持。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202402474
