金属所Materials Today：基于低维材料的三维结构晶体管研究展望

一、导读

自20世纪60年代以来，金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的特征尺寸按照摩尔定律的指引已经缩小到纳米尺度，通过实现更小、更快、更低功耗的器件，将进一步有效增加芯片上晶体管的集成密度。在器件性能迭代发展过程中，为应对短沟道效应等方面的挑战，一方面人们开发了鳍式场效应晶体管（FinFET）、环栅场效应晶体管（GAAFET）和三维集成等三维结构器件和系统技术，另一方面也提出使用碳纳米管（CNT）、石墨烯和二维过渡金属硫化物（TMDC）等低维材料作为沟道发展低维电子器件（图1）。如果能够充分结合上述两种发展策略，基于低维材料的三维结构晶体管将有望实现高效的栅极控制能力和更高的器件密度，推动芯片技术进一步沿着摩尔定律发展。

二、展望

近日，中国科学院金属研究所的孙东明、成会明研究团队从原理、性能和未来挑战等方面评述了基于低维材料的三维结构器件和三维集成系统的发展现状，以题为“面向后摩尔时代的基于低维材料的三维晶体管和集成技术（Three-Dimensional Transistors and Integration Based on Low-Dimensional Materials for the Post-Moore’s Law Era）”于近日在国际著名刊物Materials Today上在线发表。

他们首先指出，减少漏致势垒降低（DIBL）和亚阈值摆幅（SS）退化等短沟道效应影响的关键在于减小自然长度（natural length），它反比于晶体管的栅数量N，正比于沟道厚度T_S。为此，人们一方面发展了FinFET、GAAFET等多栅晶体管和充分利用垂直空间的三维集成系统（图2），另一方面充分利用具有纳米级沟道厚度的CNT和TMDC等低维材料的特性构建器件（图3）。在分别介绍三维结构器件和系统以及低维材料后，他们详细阐述了使用CNT、石墨烯和TMDC等低维材料构建的FinFET、GAAFET和三维集成系统，如鳍式沟道宽度低至0.6纳米的单层二硫化钼沟道FinFET、相当于七层硅沟道堆叠GAAFET的双层二硫化钼沟道堆叠GAAFET和实现感-存-算一体功能的三维集成系统等（图4）。该团队总结了目前器件的性能，指出联合低维材料技术和三维器件技术将可能带来满足后摩尔时代要求的高集成度、低功耗器件和系统（图5）。针对亟需解决的关键挑战，他们提出一方面需要解决器件领域的共性问题，包括提升器件均匀性、降低接触电阻、提升载流子迁移率和调控介电材料等效氧化层厚度等（图6），另一方面需要解决低维材料三维结构器件的特殊问题，如低维材料的三维几何支撑、大规模工业制备工艺以及三维集成系统中的散热和互联问题等。最后他们展望了使用全二维材料制备三维结构器件、制备碳纳米管垂直环栅结构晶体管和使用新型六元环高迁移率二维材料等制备未来器件的研究前景。

中国科学院金属研究所和中国科学技术大学博士生王肖月为文章的第一作者，刘驰研究员为共同第一作者，孙东明和刘驰研究员为文章的通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研究计划、中科院、兴辽英才计划和沈阳材料科学国家研究中心等项目的支持。

三、数据概览

图1. 基于低维材料的三维结构器件与集成系统。

图2. 增加栅极数目将抑制短沟道效应。

图3.单壁碳纳米管、石墨烯、二硫化钼和氮化硼等低维材料的结构示意图。

图4. 基于低维材料的三维结构器件与三维集成系统。

图5. 基于低维材料的FinFET和GAAFET性能。

图6. 使用低维材料作为沟道的器件的载流子迁移率和等效氧化层厚度。

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.11.023

主要作者简介：

王肖月，中国科学技术大学材料科学与工程学院、中科院金属研究所博士研究生，主要研究方向为低维材料高速晶体管，利用新型材料与机制提升器件工作速度等性能。

刘驰，中科院金属研究所研究员，主要从事混合维度电子器件研究，利用不同维度材料的优势实现器件性能和功能的提升，研究成果以第一或通讯作者发表在Nature Communications、National Science Review、Advanced Materials、Small 和IEEE EDL和TED等期刊，入选Nature Commun.年度最受关注的50篇物理类论文和电子器件类亮点论文等。

个人主页：

http://sourcedb.imr.cas.cn/zw/rck/yjy_imr/202205/t20220505_6442552.html

孙东明，中科院金属研究所研究员，国家杰出青年科学基金获得者、第十三届全国人大代表、中国科协第十届全委。主要从事新型半导体器件研究，曾在《科学》《自然-纳米技术》等核心期刊发表论文80余篇，入选2020年度中国半导体十大研究进展、2021中国光学领域二十大最具社会影响力事件等。先后牵头或参与研发了“硅—石墨烯—锗”垂直异质结构高速晶体管、首例“碳基时序逻辑集成电路”和“亚纳米原子尺度的鳍式晶体管阵列”等关键技术，半导体控温芯片领域的研究成果已经成功实施科技成果转化。

成会明，中国科学院院士，现任深圳理工大学（筹）材料与能源学院名誉院长、中科院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所所长；中科院金属所沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部主任。主要从事新型储能材料与器件、光催化材料、碳纳米管、石墨烯及其他二维材料等的研发。获国家自然科学奖二等奖（3项)、何梁何利科技奖、美国化学会ACS Nano讲座奖等，是化学和材料两个领域的国际高被引科学家。

本文由作者供稿