二硫化鉬負電容電晶體的最新研究成果

近日，在2020國際電子器件大會（IEDM）上，微電子所劉明院士科研團隊展示了二硫化鉬（MoS2）負電容電晶體（NCFET）的最新研究成果。成果顯示：MoS2 NCFE溝道長度能縮短至100nm，並實現了超低的亞閾值擺幅（亞閾值擺幅是衡量電晶體開啟與關斷狀態之間相互轉換速率的性能指標。）、較低回滯和較高的開態電流密度。這也就意味著未來積體電路或能快速向低功耗方向發展。

積體電路是一種微型電子器件或部件，其廣泛應用於電視機、音響、影碟機、錄影機、電腦、電子琴、通信、遙控、報警器等設備中。

現今，為了降低積體電路的功耗，製造商們常向柵極中引入鐵電材料的“負電容電晶體”，這樣能突破傳統場效應電晶體的亞閾值擺幅開關極限，進而使之有望在極低的電源電壓下工作。

二硫化鉬是一種低維度的半導體材料，具有類似於石墨烯的層狀結構。由於具有厚度極薄、遷移率較高、關態電流極低和CMOS（互補金屬氧化物半導體）相容的製造工藝等優勢，MoS2也就自然而然地成為了先進電晶體的可選溝道材料之一。

近期的一些實驗顯示，MoS2 NCFET能實現低於60mV/dec的亞閾值擺幅。但是這些研究僅實現了較長溝道（大於500nm）的器件，沒有完全發掘和利用負電容效應在短溝道電晶體中的優勢。 

針對該問題，劉明院士團隊通過對器件參數以及製造工藝的設計與優化，首次把MoS2 NCFET的溝道長度微縮至83nm，並實現了較低回滯和較高的開態電流密度，且亞閾值擺幅極低（SSmin=17.23 mV/dec和SSave=39 mV/dec）。相比基準器件，其平均亞閾值擺幅從220 mV/dec提高至39 mV/dec，溝道電流在VGS=0 V和1.5 V下分別提高了346倍和26倍。這項工作推動了MoS2 NCFET尺寸持續微縮，對此類器件面向低功耗應用有一定意義。 

基於上述研究成果的論文“Scaling MoS2 NCFET to 83 nm with Record-low Ratio of SSave/SSRef.=0.177 and Minimum 20 mV Hysteresis”入選2020 IEDM。

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