单原子层沟道的鳍式场效应晶体管问世

中国科学院金属研究所沈阳国家材料科学研究中心与国内外许多单位合作，首次展示了一种垂直单原子层沟道阵列鳍型场效应晶体管。相关结果发表在3月5日的《自然通讯》在线版上。

在过去的几十年里，微电子工业沿着摩尔定律快速发展。根据摩尔定律，集成电路可以容纳的晶体管数量大约每两年翻一番。为了避免硅基平面场效应晶体管尺寸减小引起的短沟道效应等缺陷，鳍晶体管(FinFET)技术诞生于20世纪90年代初，并成功地延续了摩尔定律至今。由于微加工精度，鳍式场效应晶体管的沟道宽度目前至少约为5纳米。随着集成电路的特征尺寸接近技术和物理极限，进一步减小晶体管器件的特征尺寸极具挑战性。

研究人员提出用二维原子晶体代替传统的硅基鳍片，设计了高度约300纳米的硅晶体台阶模板，并采用自下而上的湿法喷射化学气相沉积方法实现了台阶侧壁过渡金属硫化物单原子层晶体的共形生长。采用多重刻蚀等微纳加工技术制备了以单层受限二维材料为半导体沟道的鳍状场效应晶体管，同时成功制备了鳍状场效应晶体管阵列。

此外，研究人员还试图引入碳纳米管来取代传统的金属作为栅极材料。结果表明，该材料具有比传统金属栅极更好的涂层，能有效改善器件性能。理论计算表明，研究人员提出的鳍型场效应晶体管可以获得优异的抗短沟道效应能力。

这项工作将鳍型场效应晶体管的沟道材料的宽度减小到单原子层极限的亚纳米尺度(0.6纳米)，同时获得最小间距为50纳米的单原子层沟道鳍阵列。这项研究工作为后摩尔时代场效应晶体管器件的发展提供了一个新的方案。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-020-15096-0