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微電子所在二硫化鉬負電容場效應晶體管上取得進展

稿件來源:重點實驗室 楊冠華、張康瑋 發布時間:2021-01-08

  近日,2020國際電子器件大會(IEDM)以視頻會議的形式召開。會上,微電子所劉明院士科研團隊展示了二硫化鉬負電容場效應晶體管的最新研究成果。 

  功耗是制約未來集成電路發展的瓶頸問題。在柵極中引入鐵電新材料的“負電容晶體管”(NCFET)可突破傳統場效應晶體管的亞閾值擺幅開關極限,有望在極低電源電壓下工作,從而降低功耗并保持高性能。同時,原子層厚度的二硫化鉬(MoS2)免疫于短溝道效應,具有較高的遷移率、極低的關態電流和CMOS兼容的制造工藝等優勢,是面向先進晶體管的可選溝道材料之一。近期的一些實驗顯示,MoS2 NCFET能實現低于60mV/dec的亞閾值擺幅。但這些研究僅實現了較長溝道(>500 納米)的器件,沒有完全發掘和利用負電容效應在短溝道晶體管中的優勢。 

      針對該問題,劉明院士團隊通過對器件參數以及制造工藝的設計與優化,首次把MoS2 NCFET的溝道長度微縮至83 納米,并實現了超低的亞閾值擺幅(SSmin=17.23 mV/dec SSave=39 mV/dec)、較低回滯和較高的開態電流密度。相比基準器件,平均亞閾值擺幅從220 mV/dec提高至39 mV/dec,溝道電流在VGS=0 V1.5 V下分別提高了346倍和26倍。這項工作推動了MoS2 NCFET尺寸持續微縮,對此類器件面向低功耗應用有一定意義。 

  基于上述研究成果的論文“Scaling MoS2 NCFET to 83 nm with Record-low Ratio of SSave/SSRef.=0.177 and Minimum 20 mV Hysteresis”入選2020 IEDM。微電子所楊冠華博士為第一作者。

(a) MoS2 NCFET轉移曲線。(b)亞閾值擺幅~溝道電流關系。MoS2 NCFETMoS2 FET對比數據:(c)轉移曲線和(d)輸出曲線

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