近日，清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團隊在小尺寸晶體管研究方面取得重大突破，成功制備出柵極長度小于1納米的垂直二硫化鉬（MoS2）晶體管，并具有良好的電學(xué)性能。這將為二維材料在未來芯片的應(yīng)用提供參考依據(jù)，以延長摩爾定律的“生命”。
與鋼鐵支撐工業(yè)一樣，芯片支撐著信息產(chǎn)業(yè)，廣泛應(yīng)用于汽車、手機、電腦、醫(yī)療設(shè)備、家用電器等領(lǐng)域。據(jù)悉，現(xiàn)在的一部手機需要二十幾個芯片，一輛汽車需要一百多個芯片，而且隨著未來設(shè)備的功能不斷增加，所需要的芯片也將越來越多。因此可以說，它是高端制造業(yè)的核心基石。
芯片一般是指集成電路的載體，也是集成電路經(jīng)過設(shè)計、制造、封裝、測試后的結(jié)果。集成電路顧名思義就是把一定數(shù)量的電子元件如晶體管、電阻、電容等，以及這些元件之間的連線，通過半導(dǎo)體工藝集成在一起的具有特定功能的電路。目前的集成電路由幾十億、甚至上百億個晶體管組成。
硅（Si）晶體管是當(dāng)前應(yīng)用范圍最廣的一種晶體管。不過，隨著人們生活水平的不斷提高及科學(xué)技術(shù)的日益成熟，Si晶體管已經(jīng)很難滿足未來的需求了。當(dāng)柵極長度（Lg）縮小到5nm以下時，硅芯片能容納的晶體管數(shù)量接近極限。正常來說，在芯片體積越小的情況下，晶體管數(shù)量越多，芯片的性能就越強。
因此，為了填補小尺寸晶體管領(lǐng)域的空白，研究者對二維半導(dǎo)體材料展開了深入的研究，認為二硫化鉬有望替代硅成為未來晶體管溝道材料的理想候選者。MoS2是一種典型的過渡金屬半導(dǎo)體材料，不僅具有原子層的厚度，還有優(yōu)異的電化學(xué)性能。目前，已經(jīng)有很多人報道了原子級薄的MoS2晶體管，但是Lg小于1納米器件的制造仍具有較大挑戰(zhàn)性。
為進一步突破1納米以下柵長晶體管的瓶頸，任天令研究團隊利用具有超薄單原子層厚度和優(yōu)異導(dǎo)電性能等特點的石墨烯薄膜作為柵極，通過石墨烯側(cè)向電場來控制垂直的MoS2溝道的開關(guān)，從而實現(xiàn)等效的物理柵長為0.34nm。通過在石墨烯表面沉積金屬鋁并自然氧化的方式，完成了對石墨烯垂直方向電場的屏蔽。
該研究成果以“Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths”為題發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上。
