微電子所任天令教授團(tuán)隊(duì)首次研制出雙模式晶圓級(jí)二維二硫化鉬導(dǎo)電細(xì)絲晶體管
清華新聞網(wǎng)2月15日電 2月4日，清華大學(xué)微納電子學(xué)系任天令教授團(tuán)隊(duì)在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)納米》 （ACS Nano）在線(xiàn)發(fā)表了題為《超低亞閾值擺幅，超高開(kāi)關(guān)比雙模式二硫化鉬導(dǎo)電細(xì)絲晶體管》（“Two-Mode MoS2 Filament Transistor with Extremely Low Subthreshold Swing and Record High On/Off Ratio”）的研究論文，首次在埋柵雙層二硫化鉬（MoS2）晶體管溝道和漏極之間插入阻變層，在不同的電壓條件下分別實(shí)現(xiàn)了超低亞閾值擺幅（模式一）和擁有超高開(kāi)關(guān)比的準(zhǔn)零維接觸（模式二）。
現(xiàn)如今，隨著摩爾定律發(fā)展，單片集成的晶體管數(shù)量越來(lái)越多，由此來(lái)帶的小尺寸效應(yīng)等問(wèn)題更加突顯，如何進(jìn)一步降低晶體管亞閾值斜率擺幅來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗的亞閾值區(qū)1/0數(shù)字信號(hào)切換，增大單個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)比和開(kāi)態(tài)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的關(guān)斷特性和驅(qū)動(dòng)能力，成為了研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。近年來(lái)新型晶體管如隧穿晶體管和負(fù)電容晶體管被研制出來(lái)以解決這一難題。與上述兩類(lèi)晶體管不同，本工作采用了全新的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造性結(jié)合了埋柵雙層二硫化鉬晶體管和導(dǎo)電橋式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(CBRAM)阻變層，構(gòu)建了雙模式二硫化鉬“導(dǎo)電細(xì)絲晶體管”，該晶體管可以工作在超低亞閾值斜率（模式一）和超高晶體管電流開(kāi)關(guān)比（模式二）兩種模式中，為上述問(wèn)題提供了新的解決方案。
圖 1. （a）二硫化鉬導(dǎo)電細(xì)絲晶體管模式一運(yùn)行示意圖；（b）晶圓級(jí)導(dǎo)電細(xì)絲晶體管陣列；（c）導(dǎo)電細(xì)絲晶體管的掃描電子顯微鏡圖；（d）模式一下晶體管源漏電流和柵極電壓在不同漏極偏置下的傳輸曲線(xiàn)。
在模式一中，通過(guò)施加不同極性的漏極偏置和不同方向的柵極掃描電壓，調(diào)控漏極和溝道間阻變層電場(chǎng)大小和方向，使得阻變層中的導(dǎo)電細(xì)絲導(dǎo)通和斷裂。在其導(dǎo)通和斷裂的瞬間，溝道電流發(fā)生突變從而實(shí)現(xiàn)超低的亞閾值斜率（圖1a）。利用化學(xué)氣相淀積生長(zhǎng)的大面積二硫化鉬薄膜使得該器件可達(dá)到晶圓級(jí)制備規(guī)模 （圖1b）。其器件結(jié)構(gòu)如圖1c所示，在該器件中獲得了2.26 mV/dec的超低亞閾值斜率（圖1d）。
圖 2. （a）二硫化鉬導(dǎo)電細(xì)絲晶體管模式II運(yùn)行示意圖；（b）模式二下該晶體管的柵控電流傳輸曲線(xiàn)和柵極漏電流；（c）準(zhǔn)零維結(jié)構(gòu)晶體管（模式二）和對(duì)照組傳統(tǒng)三維接觸的開(kāi)態(tài)電流對(duì)比。
在模式二中，由于上述阻變層形成導(dǎo)電細(xì)絲的直徑在亞10納米，從而在漏電極和溝道間形成準(zhǔn)零維接觸，大大降低傳統(tǒng)接觸中電子散射現(xiàn)象（圖2a），實(shí)現(xiàn)超高柵控溝道電流的開(kāi)關(guān)比 (2.6×109，圖2b)，相比于傳統(tǒng)電極接觸二硫化鉬晶體管對(duì)照組，開(kāi)態(tài)電流提高了約50倍（圖2c）。此外，埋柵結(jié)構(gòu)的使用相較于傳統(tǒng)背柵晶體管能進(jìn)一步地增強(qiáng)柵控能力。同時(shí)相比于頂柵晶體管而言，繞過(guò)了在二維薄膜上生長(zhǎng)介質(zhì)材料不均勻的難題。
微納電子系博士生王雪峰和助理教授田禾為論文共同第一作者，任天令教授及其團(tuán)隊(duì)教師為論文通訊作者。
任天令教授長(zhǎng)期致力于二維材料基礎(chǔ)研究和實(shí)用化應(yīng)用的探索，尤其關(guān)注研究將二維材料與傳統(tǒng)存儲(chǔ)與傳感器件相結(jié)合，已獲得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果，如低功耗單層石墨烯阻變存儲(chǔ)器、石墨烯柔性阻變存儲(chǔ)器、阻變窗口可調(diào)雙層石墨烯阻變存儲(chǔ)器等，相關(guān)成果曾多次發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications）、《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）、《納米快報(bào)》（Nano Letters）、《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)納米》（ACS Nano）、國(guó)際電子器件大會(huì)（IEDM）等。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.8b08876
供稿：微納電子學(xué)系 編輯：李華山 審核：盧小兵
