清華新聞網2月15日電  2月4日，清華大學微納電子學系任天令教授團隊在《美國化學學會納米》 （ACS Nano）在線發表了題為《超低亞閾值擺幅，超高開關比雙模式二硫化鉬導電細絲晶體管》（“Two-Mode MoS2 Filament Transistor with Extremely Low Subthreshold Swing and Record High On/Off Ratio”）的研究論文，首次在埋柵雙層二硫化鉬（MoS2）晶體管溝道和漏極之間插入阻變層，在不同的電壓條件下分別實現了超低亞閾值擺幅（模式一）和擁有超高開關比的準零維接觸（模式二）。

　　現如今，隨著摩爾定律發展，單片集成的晶體管數量越來越多，由此來帶的小尺寸效應等問題更加突顯，如何進一步降低晶體管亞閾值斜率擺幅來實現低功耗的亞閾值區1/0數字信號切換，增大單個晶體管開關比和開態電流來實現更好的關斷特性和驅動能力，成為了研究的熱點和難點。近年來新型晶體管如隧穿晶體管和負電容晶體管被研制出來以解決這一難題。與上述兩類晶體管不同，本工作采用了全新的結構，創造性結合了埋柵雙層二硫化鉬晶體管和導電橋式隨機存取存儲器(CBRAM)阻變層，構建了雙模式二硫化鉬“導電細絲晶體管”，該晶體管可以工作在超低亞閾值斜率（模式一）和超高晶體管電流開關比（模式二）兩種模式中，為上述問題提供了新的解決方案。

　　圖 1. （a）二硫化鉬導電細絲晶體管模式一運行示意圖；（b）晶圓級導電細絲晶體管陣列；（c）導電細絲晶體管的掃描電子顯微鏡圖；（d）模式一下晶體管源漏電流和柵極電壓在不同漏極偏置下的傳輸曲線。

　　在模式一中，通過施加不同極性的漏極偏置和不同方向的柵極掃描電壓，調控漏極和溝道間阻變層電場大小和方向，使得阻變層中的導電細絲導通和斷裂。在其導通和斷裂的瞬間，溝道電流發生突變從而實現超低的亞閾值斜率（圖1a）。利用化學氣相淀積生長的大面積二硫化鉬薄膜使得該器件可達到晶圓級制備規模 （圖1b）。其器件結構如圖1c所示，在該器件中獲得了2.26 mV/dec的超低亞閾值斜率（圖1d）。

　　圖 2. （a）二硫化鉬導電細絲晶體管模式II運行示意圖；（b）模式二下該晶體管的柵控電流傳輸曲線和柵極漏電流；（c）準零維結構晶體管（模式二）和對照組傳統三維接觸的開態電流對比。

　　在模式二中，由于上述阻變層形成導電細絲的直徑在亞10納米，從而在漏電極和溝道間形成準零維接觸，大大降低傳統接觸中電子散射現象（圖2a），實現超高柵控溝道電流的開關比 (2.6×109，圖2b)，相比于傳統電極接觸二硫化鉬晶體管對照組，開態電流提高了約50倍（圖2c）。此外，埋柵結構的使用相較于傳統背柵晶體管能進一步地增強柵控能力。同時相比于頂柵晶體管而言，繞過了在二維薄膜上生長介質材料不均勻的難題。

　　微納電子系博士生王雪峰和助理教授田禾為論文共同第一作者，任天令教授及其團隊教師為論文通訊作者。

　　任天令教授長期致力于二維材料基礎研究和實用化應用的探索，尤其關注研究將二維材料與傳統存儲與傳感器件相結合，已獲得了多項創新成果，如低功耗單層石墨烯阻變存儲器、石墨烯柔性阻變存儲器、阻變窗口可調雙層石墨烯阻變存儲器等，相關成果曾多次發表于《自然通訊》（Nature Communications）、《先進材料》（Advanced Materials）、《納米快報》（Nano Letters）、《美國化學學會納米》（ACS Nano）、國際電子器件大會（IEDM）等。

　　論文鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.8b08876