二硫化钼负电容晶体管的最新研究成果

近日，在2020国际电子器件大会（IEDM）上，微电子所刘明院士科研团队展示了二硫化钼（MoS2）负电容晶体管（NCFET）的最新研究成果。成果显示：MoS2 NCFE沟道长度能缩短至100nm，并实现了超低的亚阈值摆幅（亚阈值摆幅是衡量晶体管开启与关断状态之间相互转换速率的性能指针。）、较低回滞和较高的开态电流密度。这也就意味着未来集成电路或能快速向低功耗方向发展。

集成电路是一种微型电子器件或部件，其广泛应用于电视机、音响、影碟机、录像机、计算机、电子琴、通信、遥控、报警器等设备中。

现今，为了降低集成电路的功耗，制造商们常向栅极中引入铁电材料的“负电容晶体管”，这样能突破传统场效应晶体管的亚阈值摆幅开关极限，进而使之有望在极低的电源电压下工作。

二硫化钼是一种低维度的半导体材料，具有类似于石墨烯的层状结构。由于具有厚度极薄、迁移率较高、关态电流极低和CMOS（互补金属氧化物半导体）兼容的制造工艺等优势，MoS2也就自然而然地成为了先进晶体管的可选沟道材料之一。

近期的一些实验显示，MoS2 NCFET能实现低于60mV/dec的亚阈值摆幅。但是这些研究仅实现了较长沟道（大于500nm）的器件，没有完全发掘和利用负电容效应在短沟道晶体管中的优势。 

针对该问题，刘明院士团队通过对器件参数以及制造工艺的设计与优化，首次把MoS2 NCFET的沟道长度微缩至83nm，并实现了较低回滞和较高的开态电流密度，且亚阈值摆幅极低（SSmin=17.23 mV/dec和SSave=39 mV/dec）。相比基准器件，其平均亚阈值摆幅从220 mV/dec提高至39 mV/dec，沟道电流在VGS=0 V和1.5 V下分别提高了346倍和26倍。这项工作推动了MoS2 NCFET尺寸持续微缩，对此类器件面向低功耗应用有一定意义。 

基于上述研究成果的论文“Scaling MoS2 NCFET to 83 nm with Record-low Ratio of SSave/SSRef.=0.177 and Minimum 20 mV Hysteresis”入选2020 IEDM。

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