清华任天令、山大韩琳等综述：过渡金属硫化物晶体管的性能极限及研究进展

研究背景

芯片是由无数个晶体管构成，传统晶体管的沟道是由Si材料制备。Si晶体管的尺寸微缩一直遵循Moore定理。近些年，Si晶体管的尺寸微缩已经达到Si材料的物理极限，出现了短沟道效应。因此，科研人员一直在寻找能够替换Si材料的半导体材料延续Moore定理的发展，提升芯片中晶体管的集成度。二维(2D)过渡金属二卤化物(TMDs)具有原子级厚度可实现原子尺度的操作，突破了传统半导体材料Si的限制，可以克服短沟道效应，延续Moore定理，进一步提升芯片集成度。因此，探索基于2D TMD 的晶体管的尺寸和性能极限已变得非常重要。

Performance Limits and Advancements in Single 2D Transition Metal Dichalcogenide Transistor

Jing Chen, Ming-Yuan Sun, Zhen-Hua Wang, Zheng Zhang, Kai Zhang, Shuai Wang, Yu Zhang, Xiaoming Wu, Tian-Ling Ren*, Hong Liu & Lin Han*

Nano-Micro Letters (2024)16: 264

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01461-x

本文亮点

1. 深入阐述分析了2D-TMD 晶体管的尺寸极限和性能极限。

2. 总结并深入分析了2D-TMD 逻辑晶体管的重要应用，以及不同应用场景对器件性能的要求。

3. 剖析了2D-TMD晶体管未来的研究方向和潜在的应用前景，以及探索2D晶体管的尺寸和性能边界方面面临的挑战、机遇和潜在解决方案。

内容简介

在本综述中，清华大学任天令、山东大学海洋研究院韩琳等人全面探讨了单个 2D-TMD 晶体管的尺寸和性能极限。深入探讨了2D-TMD 晶体管的尺寸极限，包括减少沟道长度、栅极长度、源极/漏极接触长度和介电厚度对晶体管性能的影响。详细分析了2D-TMD晶体管的性能极限包：源极/漏极接触电阻、次阈值摆动、滞后环、载流子迁移率、导通/截止比等。阐述了2D-TMD 晶体管的重要应用：p 型晶体管，单个晶体管逻辑电路和存储器。2D-TMD晶体管作为存储器件，重点是提高存储器的运行速度、耐用性、数据保留和消隐比，以及降低存储器作为人工突触的能耗。本综述不仅总结了这一领域的技术现状，还剖析了潜在的未来研究方向和应用，以及探索2D晶体管的尺寸和性能边界方面的预期挑战、机遇和潜在解决方案。

图文导读

I 2D-TMD 晶体管的尺寸极限

图1. 缩小晶体管的沟道长度。(a) 二维垂直沟道晶体管。(b) 1 nm以下沟道的垂直晶体管。(c) 2 纳米以下垂直沟道晶体管。(d) 单层 WSe₂ 斜坡沟道晶体管。(e) 二维鳍式场效应晶体管。(f) 具有 10 nm以下超扁平间隙电极的二维器件。(g) 上述二维晶体管的沟道长度对比。

图2. 缩小晶体管的栅极长度。(a) 栅极长度为 1 nm的 MoS₂ 晶体管。(b) 具有 CNT 栅极的 1T′/2H MoTe₂ FET。(c) 具有 0.34 nm单层石墨烯边缘栅极的垂直 MoS₂ 晶体管。(d) 具有 10 nm硅鳍栅极的 MoS₂ 晶体管。(e) 上述二维晶体管的栅极长度对比。

图3. 缩小晶体管的触点长度。(a) 单层 MoS₂ FET 的超短接触点。(b) 带有 PtTe₂ 边缘触点的 PtSe₂ FET。(c) 采用原位边缘接触的 MoS₂ 晶体管。(d) 采用单壁碳纳米管触点的 MoS₂ FET。(e) 具有一维边缘接触的 MoS₂ FET。(f) 具有相变触点的 MoTe₂ FET。(g) 上述二维晶体管的源漏接触长度对比。

图4. 缩小晶体管的介电层厚度。(a) 用于范德瓦尔斯纳米电子学的激光可写入高k介电质。(b) 集成在二维 MoS₂ 上的 HfO₂/Sb₂O₃ 混合电介质。(c) 带有 Bi₂SeO₅ 介电纳米片的 Bi₂O₂Se 晶体管。(d) Back-gate MoS₂ 四探针场效应晶体管器件。(e) 采用 SrTiO₃ 介电材料的 MoS₂ 背栅场效应晶体管。(f) 采用 PTCDA/HfO₂ 混合栅堆栈的 MoS₂ FET。(g) 带有 Bi₂SeO₅ 介电纳米层的 Bi₂O₂Se 晶体管。(h) 使用 2D-BN 介电层的 WSe₂ FET。(i) 上述二维晶体管的介电层厚度对比。(j) 上述二维晶体管的介电常数对比。

II 2D-TMD 晶体管的性能极限

图5. 降低二维晶体管的接触电阻涉及四种策略，如新型接触材料、掺杂工程、界面工程和相变工程。(a) MoS₂ FET 的量子极限。(b) 带有半金属(Bi)触点的 MoS₂ FET。(c) 双栅 InSe FET。(d) 具有变性 p 掺杂 WSe₂ (Nb0.005W0.995Se₂) 触点的 WSe₂ FET。(e) ZrTe₂ 接触 MoS₂ 晶体管。(f) 二维器件的理想间隔掺杂层。(g) 具有 1T’/2H 同相结的 MoTe₂ 器件。(h) 具有 Mxene 触点的二维 MoGe₂N₄ FET。(i) 带 VSe₂ 触点的 WSe₂ FET。(j) 上述二维晶体管的接触电阻对比。

图6. 二维晶体管的亚阈值摆幅降低涉及负电容效应、电阻栅效应、隧道效应、狄拉克源效应和冲击电离效应。(a) MoS₂ NC-FET。(b) CIPS/MoS₂ vdW NC-FET。(c) MoS₂ NC-FET。(d) MoS₂/h-BN/graphene/CIPS vdW FeFET。(e) 原子阈值开关 MoS₂ FET。(f) MoS₂ TFET。(g) MoS₂/Graphene Dirac-Source FET。(h) 纳米级垂直冲击电离晶体管。(i) 上述二维晶体管的亚阈值摆幅对比。

图7. 减少二维晶体管滞回的四种策略，如表面钝化、介质工程、封装和制造后处理。(a) 带有 hBN 钝化层的 MoS₂ FET。(b) 带 HfOₓ 介电层的 MoS₂ FET。(c) 采用 h-BN/CuInP₂S₆ 电介质的 MoS₂ 负电容场效应晶体管。(d) 经过制造后处理的单层 MoS₂ FET。(e) 上述二维晶体管的滞回对比。

图8. 二维晶体管中载流子迁移率的提高涉及材料质量改进、表面功能化、介电工程、应变工程和器件结构优化。(a) 多面体堆叠双层 WS₂ FET。(b) 与二维有机框架耦合的 MoS₂ FET。(c) MoS₂ FET 上的 CsPbBr₃ 沉淀。(d) MoS₂ FET 与高介电常数的 Bi₂SeO₂。(e) 双栅 MoS₂ FeFET。(f) 使用共形 BN 介电界面的 WSe₂ FET。(g) 冠状二维晶体管。(h) 应变 MoS₂ 晶体管。(i) 具有空气间隙结构的 MoS₂ 晶体管。(j) 上述二维晶体管的载流子迁移率对比。

图9. 提高二维晶体管开/关比率的策略涉及栅极工程、接触优化、缺陷控制和器件结构优化。(a) 高κ包晶膜作为二维晶体管的介电层。(b) 双接触 MoS₂ 场效应晶体管。(c) 通过无残留转移制造的高性能 MoS₂ 晶体管。(d) 二维晶体管的缺陷控制。(e) 通过改性化学气相沉积制造的高性能 MoS₂ 晶体管。(f) 二维鳍式场效应晶体管。(g) 上述二维晶体管的开/关比对照。

III 2D-TMD 晶体管的应用

图10. P 型晶体管。(a) 用于 WSe₂ p 型掺杂剂的 NO₂ 分子。(b) 通过将 W 与 V 前驱体混合而掺杂 V 的 WSe₂。(c) 基于 WSe₂/WOxSey异质结构的超大规模 p 型场效应晶体管。(d) 基于 MoTe₂ 的 p 型晶体管制造。(e) MoS₂/CNT 异质结晶体管。(f) 激光扫描后的 WSe₂ FET。(g) 多层 WSe₂ 上 Pt 的原子分辨率图像。

图11. 单逻辑晶体管。(a) 双栅 MoS₂ 晶体管。(b) 双栅 WSe₂ 晶体管。(c) 双栅 WSe₂ 晶体管。(d) WSe₂ 浮栅晶体管。(e) MoS₂ 浮栅晶体管。(f) 可重构范德华铁电晶体管。

图12. 超快存储器件。(a) 具有原子级尖锐界面的浮栅存储器件。(b) 超快半浮动栅同质结。(c) 基于范德华异质结构的超快闪存。(d) 超快 MoS₂ 浮栅存储器。(e) 超快 WSe₂ 双极闪存。(f) 基于相位工程边缘触点的超快闪存。(g) 以 PBi₂ 作为电荷陷阱层的超快范德瓦尔斯存储器。(h) 用于超快存储器的极化隧道晶体管。(i) 基于双相二维材料结构的超快闪存。(j) PZT 赋能MoS₂ 浮栅晶体管，用于超快闪存。

作者简介

韩琳
本文通讯作者

山东大学教授

▍主要研究领域
面向生命健康和海洋环境监测的新型生物传感芯片与系统研发，开发了10余种国际先进水平的生物芯片(DNA、miRNA、抗原、抗体、外泌体、单细胞等)。

▍个人简介

山东大学海洋研究院/ 集成电路学院教授，博士生导师，山东大学杰出中青年学者，齐鲁青年学者，山东省杰出青年基金获得者。近五年，以第一或通讯作者在 Chemical Society Review、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Advanced Healthcare Materials等国际知名期刊发表学术论文60余篇，申请专利60余项，授权发明专利28项，实现了千万级的技术成果转化，相关成果被中央人民广播电台特别报道。主持国家重点研发计划(课题2项，子课题1项)、国家自然基金青年/面上、山东省杰出青年基金、山东省重大创新工程项目课题等10余项，担任山东大学青年交叉科学群体项目首席。曾获青岛市拔尖人才、山东大学杰出中青年学者、山东大学十大高价值应用科技成果奖、中国济南新动能国际高层次人才创新创业大赛一等奖等荣誉。担任卓越期刊BMEMat和Interdisciplinary Medicine编委，担任山东省医学会类器官分会第一届委员会、生物标志物与人工智能应用山东省工程研究中心副主任和济南市微纳传感芯片与智能装备重点实验室主任。▍Email：hanlin@sdu.edu.cn

任天令
本文通讯作者

清华大学教授

▍主要研究领域
主要研究方向为智能微纳电子器件、芯片与系统，包括：智能传感器与智能集成系统，二维纳电子器件与芯片，柔性、可穿戴器件与系统，智能信息器件与系统技术等。在新型二维材料电子器件和多种先进智能器件及芯片方面获得了多项重要创新成果，如世界上栅极物理尺寸最小的晶体管、与人体融合的智能人工喉、新型不挥发存储器、智能人工耳膜、智能三维人机交互器件、光谱可调的新型发光器件、智能仿生突触器件等。

▍个人简介

清华大学信息科学技术学院副院长，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，清华大学环境与健康传感技术研究中心副主任。籍贯山东省济南市，1997年博士毕业于清华大学现代应用物理系，2003年起担任清华大学微电子所(集成电路学院)教授，2011年至2012年为美国斯坦福大学大学电子工程系访问教授。近年来，承担国家自然科学重点基金、科技部重点研发计划、国家重大科技专项、国家公益性行业科研专项、国家重大仪器专项、国家863计划、国家973计划等多项国家重要科技项目，做出一系列具有重要国际影响的创新学术成果。在国内外重要学术期刊和会议发表论文750余篇，包括Nature、Nature Electronics、Nature Machine Intelligence、Nature Communications、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、InfoMat、Nano-Micro Letters、Advanced Functional Materials、Science Advances、ACS Nano、Nano Letters、Biosensors & Bioelectronics、IEEE Electron Device Letters、IEEE Journal of Solid-State Circuits、IEEE Transactions on Electron Devices、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques、IEEE Microwave and Wireless Components Letters、IEEE Sensors Journal、Applied Physics Letters等重要SCI期刊论文600余篇，国际微电子领域顶级学术会议IEDM论文16篇，被Elsevier评为2018-2022年“中国大陆高被引学者”。拥有国内外发明专利70余项。担任IEEE电子器件学会副主席(中国大陆首次)、国际微电子领域顶级学术会议IEDM执委(中国大陆首次)、IEEE电子器件学会教育委员会主席(中国大陆首次)、中国微米纳米技术学会理事、中国仪器仪表学会微纳器件与系统技术分会常务理事、IEEE电子器件学会Distinguished Lecturer、IEEE EDTM 执委、IEEE Journal of Electron Device Society编委、IEEE Transactions on Nanotechnology 编委、《中国科学》编委，和Scientific Reports编委等重要学术任职。作为导师先后培养了一百余名优秀的清华博士、硕士研究生与本科生，数十名同学荣获优秀学位论文、优秀毕业生、特等奖学金、学术新秀、启航金奖、IEEE博士/硕士研究生奖、国际学术会议最佳论文等一系列国内外重要学术荣誉。2016年和2020年，两度荣获“清华大学良师益友”。

▍Email：rentl@tsinghua.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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