內容簡介

過去隨著半導體技術的發展，晶體管的尺寸不斷減小，集成度每隔18~24個月便會成倍增長。然而，隨著晶體管橫向尺寸逐漸進入納米尺度，漏電流增大、roll-off、亞閾值斜率退化等短溝道效應越來越嚴重。基于新型二維半導體材料的小尺寸晶體管，作為電子器件領域的新興方向，近年來在尺寸微縮方面取得了突破，有望進一步延續摩爾定律進程。研究表明，相比硅半導體，二維過渡金屬硫化物二硫化鉬由于寬帶隙、低介電常數以及極薄的厚度等特性，被認為有更好的特征長度和微縮優勢。采用二硫化鉬為溝道材料的小尺寸晶體管近年來被廣泛研究和報道。然而，目前對基于二維材料的小尺寸器件的性能評估局限于平面型結構。在先進節點下，進一步用模型預測的方式評估二維材料的優勢仍需要探索。

近日，清華大學集成電路學院的任天令教授團隊就上述問題開展了研究，相關論文以“Simulation of MoS2 stacked nanosheet field effect transistor”為題，作為封面文章在Journal of Semiconductors (《半導體學報》) 第8期發表，第一作者是清華大學博士研究生沈陽。

圖1. 堆疊型二維晶體管結構和模型參數提取。

該研究結合第一性原理和TCAD仿真跨尺度仿真模型，研究了在應用于主流工藝3nm節點的堆疊型晶體管工藝下，二維材料在I-V、C-V特性等方面的優勢。他們發現，柵長從16nm縮短至8nm，硅基堆疊型晶體管SS、DIBL、roll-off等急劇增加，出現嚴重的短溝效應。而二硫化鉬在8nm柵長仍然可以維持陡峭的開關和較低的閾值偏移。同時，二硫化鉬的原子層厚度也帶來了約20%的柵極電容下降。因此，可以得出結論，以二硫化鉬為代表的二維半導體材料在高集成電路中擁有一定的性能優勢，MoS2堆疊型晶體管是延續摩爾定律的技術路徑之一。

圖2. 堆疊型二維晶體管特性預測和對比。

審核編輯 ：李倩