为国争光！清华大学制出1nm以下的MoS2晶体管

近日，清华大学集成电路学院任天令教授团队在小尺寸晶体管研究方面取得重大突破，成功制备出栅极长度小于1纳米的垂直二硫化钼（MoS2）晶体管，幷具有良好的电学性能。这将为二维材料在未来芯片的应用提供参考依据，以延长摩尔定律的“生命”。

与钢铁支撑工业一样，芯片支撑着信息产业，广泛应用于汽车、手机、电脑、医疗设备、家用电器等领域。据悉，现在的一部手机需要二十几个芯片，一辆汽车需要一百多个芯片，而且随着未来设备的功能不断增加，所需要的芯片也将越来越多。因此可以说，它是高端制造业的核心基石。

芯片一般是指集成电路的载体，也是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的结果。集成电路顾名思义就是把一定数量的电子元件如晶体管、电阻、电容等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。目前的集成电路由几十亿、甚至上百亿个晶体管组成。

硅（Si）晶体管是当前应用范围最广的一种晶体管。不过，随着人们生活水平的不断提高及科学技术的日益成熟，Si晶体管已经很难满足未来的需求了。当栅极长度（Lg）缩小到5nm以下时，硅芯片能容纳的晶体管数量接近极限。正常来说，在芯片体积越小的情况下，晶体管数量越多，芯片的性能就越强。

因此，为了填补小尺寸晶体管领域的空白，研究者对二维半导体材料展开了深入的研究，认为二硫化钼有望替代硅成为未来晶体管沟道材料的理想候选者。MoS2是一种典型的过渡金属半导体材料，不仅具有原子层的厚度，还有优异的电化学性能。目前，已经有很多人报道了原子级薄的MoS2晶体管，但是Lg小于1纳米器件的制造仍具有较大挑战性。

为进一步突破1纳米以下栅长晶体管的瓶颈，任天令研究团队利用具有超薄单原子层厚度和优异导电性能等特点的石墨烯薄膜作为栅极，通过石墨烯侧向电场来控制垂直的MoS2沟道的开关，从而实现等效的物理栅长为0.34nm。通过在石墨烯表面沉积金属铝幷自然氧化的方式，完成了对石墨烯垂直方向电场的屏蔽。

该研究成果以“Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths”为题发表在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上。

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