重大突破！清华大学首次实现亚1纳米栅长晶体管

据清华大学官网消息，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，首次实现了具有亚1纳米栅极长度的晶体管，并具有良好的电学性能。

纳米栅长晶体管结构示意图

据清华大学介绍，晶体管作为芯片的核心元器件，更小的栅极尺寸能让芯片上集成更多的晶体管，并带来性能的提升。Intel公司创始人之一的戈登·摩尔（Gordon Moore）在1965提出：“集成电路芯片上可容纳的晶体管数目，每隔18-24个月便会增加一倍，微处理器的性能提高一倍，或价格下降一半。”这在集成电路领域被称为“摩尔定律”。

过去几十年晶体管的栅极尺寸在摩尔定律的推动下不断微缩，然而近年来，随着晶体管的物理尺寸进入纳米尺度，造成电子迁移率降低、漏电流增大、静态功耗增大等短沟道效应越来越严重，这使得新结构和新材料的开发迫在眉睫。

随着摩尔定律的发展，晶体管栅长逐步微缩，本工作实现了亚1纳米栅长的晶体管

目前主流工业界晶体管的栅极尺寸在12nm以上，日本中在2012年实现了等效3nm的平面无结型硅基晶体管，2016年美国实现了物理栅长为1nm的平面硫化钼晶体管，而清华大学目前实现等效的物理栅长为0.34nm，一举超越美国与日本。

亚1纳米栅长晶体管器件工艺流程，示意图，表征图以及实物图

研究发现，由于单层二维二硫化钼薄膜相较于体硅材料具有更大的有效电子质量和更低的介电常数，在超窄亚1纳米物理栅长控制下，晶体管能有效的开启、关闭，其关态电流在pA量级，开关比可达105，亚阈值摆幅约117mV/dec。大量、多组实验测试数据结果也验证了该结构下的大规模应用潜力。

基于工艺计算机辅助设计（TCAD）的仿真结果进一步表明了石墨烯边缘电场对垂直二硫化钼沟道的有效调控，预测了在同时缩短沟道长度条件下，晶体管的电学性能情况。这项工作推动了摩尔定律进一步发展到亚1纳米级别，同时为二维薄膜在未来集成电路的应用提供了参考依据。

统计目前工业界和学术界晶体管栅极长度微缩的发展情况，本工作率先达到了亚1纳米

上述相关成果以“具有亚1纳米栅极长度的垂直硫化钼晶体管”（Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths）为题，于3月10日在线发表在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上。

论文通讯作者为清华大学集成电路学院任天令教授和田禾副教授，清华大学集成电路学院2018级博士生吴凡、田禾副教授、2019级博士生沈阳为共同第一作者，其他参加研究的作者包括清华大学集成电路学院2020级硕士生侯展、2018级硕士生任杰、2022级博士生苟广洋、杨轶副教授和华东师范大学通信与电子工程学院孙亚宾副教授。