重大進(jìn)展

9月15日，華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的翟天佑教授團(tuán)隊(duì)宣布，其研發(fā)團(tuán)隊(duì)在二維高性能浮柵晶體管存儲(chǔ)器方面取得重要進(jìn)展。

圖1 邊緣接觸式二維浮柵存儲(chǔ)器的表征及其操作性能。（華中科技大學(xué)供圖）

什么是浮柵晶體管

浮柵晶體管是一種特殊的MOS晶體管。作為一種電荷存儲(chǔ)器，是構(gòu)成當(dāng)前大容量固態(tài)存儲(chǔ)器發(fā)展的核心元器件。

剖析它的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)現(xiàn)，晶體管由三個(gè)部分組成，源極（Source，電流入口）、漏極（Drain-電流的出口）、柵極（Gate-開(kāi)關(guān)）。在晶體管中有兩個(gè)多晶硅形成的柵極, 其中一個(gè)帶有有電氣連接的叫控制柵，也叫柵極; 另一個(gè)沒(méi)有外引線, 完全被包裹在二氧化硅介質(zhì)層里面的浮空控制柵叫做浮柵。

圖2 N溝道增強(qiáng)型MOSFET縱剖面圖

圖3 浮柵結(jié)構(gòu)圖

華中科技大學(xué)研究所制備的新型二維浮柵晶體管提高了傳統(tǒng)浮柵晶體管的擦寫(xiě)速度、循環(huán)壽命，存儲(chǔ)性能更加優(yōu)異，使其商用價(jià)值大幅上升。

浮柵晶體管與晶體管

浮柵晶體管隸屬于晶體管。而晶體管（transistor），本名為半導(dǎo)體三極管(包括二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、晶閘管等，有時(shí)特指雙極型器件)，是內(nèi)部含有兩個(gè)PN結(jié)，外部通常為三個(gè)引出電極的固體半導(dǎo)體器件。它對(duì)電信號(hào)有放大和開(kāi)關(guān)等作用，基于輸入的電壓來(lái)控制流出的電流。多用于檢波、整流、放大、開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制和許多其它功能。是功率半導(dǎo)體的重要組成部分。

PN結(jié)原理

PN結(jié)（PN junction）是在一塊本征半導(dǎo)體（純凈的，不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體）中，摻以不同的雜質(zhì)，使其一邊成為P型，另一邊成為N型。隨后將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體基片上，在P區(qū)和N區(qū)的交界面形成一個(gè)空間電荷區(qū)，叫做PN結(jié)。

圖4 PN結(jié)工作原理示意圖

晶體管的主要制作原料是半導(dǎo)體材料（即導(dǎo)電率介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料）。根據(jù)晶體管中PN結(jié)的材料、摻雜分布、 幾何結(jié)構(gòu)和偏置條件等基本特性的不同，可以生成很多種不同功能的晶體二極管。

傳統(tǒng)晶體管材料有硅、鍺、鎵、砷等。但正如上文所說(shuō)，不同晶體管的工作特性激發(fā)著原材料市場(chǎng)的不斷更新改革。近年來(lái)，科學(xué)家們一直致力于晶體管原材料新的可能性的研究。這時(shí)，二維材料應(yīng)運(yùn)而生。

在納米尺度上，二維材料電子傳導(dǎo)性更高，正因如此，二維材料逐漸成為了下一代晶體管材料中替代硅的重要競(jìng)品材料。

二維材料——功率半導(dǎo)體的下一個(gè)“風(fēng)口”

二維材料，全名為二維原子晶體材料。是指電子僅可在兩個(gè)維度的納米尺度(1-100nm) 上自由運(yùn)動(dòng)(平面運(yùn)動(dòng))的材料，如納米薄膜、超晶格、量子阱。其中包括石墨烯，氮化硼(BN)、二硫化鉬(MoS2)、二硫化鎢(WS2)、MXene材料。石墨烯是最主流的二維材料。具有單原子層厚，高載流子遷移率、線性能譜、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，常被用于半導(dǎo)體科學(xué)研究。

圖5 石墨烯基光電晶體管原理圖

需要了解的是，雖然材料本身性能優(yōu)秀，但受限于商用制備過(guò)程中的制造成本，設(shè)備要求，以及在接觸電阻、柵介質(zhì)等方面的瓶頸，截止到目前，二維晶體管所能實(shí)現(xiàn)的性能比起傳統(tǒng)硅基晶體管依然稍顯遜色。

研究成果

1、由過(guò)渡金屬二硫化物（TMD）的2D材料為基礎(chǔ)制造簡(jiǎn)單功能晶體管

本項(xiàng)研究成果由麻省理工學(xué)院（MIT）團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)。采用“非外延單晶生長(zhǎng)”方法，在現(xiàn)有的工業(yè)硅晶圓上生長(zhǎng)出純凈無(wú)缺陷的二維材料，并制造出更小的晶體管。本項(xiàng)成果有效提高了晶體管的導(dǎo)電性。

2、晶圓級(jí)硅基二維互補(bǔ)疊層晶體管

本項(xiàng)研究成果由復(fù)旦大學(xué)周鵬、包文中、萬(wàn)景團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)。研究團(tuán)隊(duì)利用硅基集成電路的標(biāo)準(zhǔn)后端工藝，將二硫化鉬(MoS2)三維堆疊在傳統(tǒng)的硅基芯片上，形成p型硅-n型二硫化鉬的異質(zhì)互補(bǔ)CFET結(jié)構(gòu)。此項(xiàng)成果大幅降低了疊層晶體管的制備工藝難度，提高了管體壽命。

3、10納米超短溝道彈道二維硒化銦晶體管

本項(xiàng)研究成果由北京大學(xué)電子學(xué)院彭練矛院士、邱晨光研究員團(tuán)聯(lián)合開(kāi)發(fā)。該晶體管的其實(shí)際性能已經(jīng)超過(guò)英特爾商用系列中最先進(jìn)的硅基晶體管。本次實(shí)驗(yàn)首次達(dá)成了n型二維半導(dǎo)體晶體管的性能理論極限現(xiàn)實(shí)化，并且證明了先進(jìn)硅基技術(shù)性能劣于二維器件。

4、二維材料的硅微芯片集成技術(shù)

本項(xiàng)研究成果由沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)科學(xué)家開(kāi)發(fā)。團(tuán)隊(duì)將二維絕緣材料（約6納米厚的層六方氮化硼），集成到包含由互補(bǔ)金屬—氧化物半導(dǎo)體技術(shù)制成的硅晶體管的微芯片內(nèi)。本次實(shí)驗(yàn)大大提升了硅晶體管微芯片的集成密度和產(chǎn)品性能。

5、全彩色垂直堆疊μLED

本項(xiàng)研究成果由麻省理工學(xué)院的Jeehwan Kim開(kāi)發(fā)。本項(xiàng)全彩色垂直堆疊μLED成果的最高陣列密度為5100像素每英寸，尺寸為4微米。是公開(kāi)數(shù)據(jù)中的最高陣列密度和和最小尺寸。

總結(jié)

雖然短期內(nèi)我們還不太可能看到二維材料在晶體管，乃至整個(gè)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)上的商用化，但二維材料的理念其實(shí)已在功率半導(dǎo)體研發(fā)和生產(chǎn)中無(wú)孔不入。相信在解決了量產(chǎn)瓶頸后，二維材料會(huì)為功率半導(dǎo)體市場(chǎng)帶來(lái)一場(chǎng)華麗蛻變。

審核編輯：劉清