重大進展

9月15日，華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)全國重點實驗室的翟天佑教授團隊宣布，其研發(fā)團隊在二維高性能浮柵晶體管存儲器方面取得重要進展。

圖1 邊緣接觸式二維浮柵存儲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。作為一種電荷存儲器，是構(gòu)成當(dāng)前大容量固態(tài)存儲器發(fā)展的核心元器件。

剖析它的結(jié)構(gòu)會發(fā)現(xiàn)，晶體管由三個部分組成，源極（Source，電流入口）、漏極（Drain-電流的出口）、柵極（Gate-開關(guān)）。在晶體管中有兩個多晶硅形成的柵極, 其中一個帶有有電氣連接的叫控制柵，也叫柵極; 另一個沒有外引線, 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)浮柵晶體管的擦寫速度、循環(huán)壽命，存儲性能更加優(yōu)異，使其商用價值大幅上升。

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、場效應(yīng)管、晶閘管等，有時特指雙極型器件)，是內(nèi)部含有兩個PN結(jié)，外部通常為三個引出電極的固體半導(dǎo)體器件。它對電信號有放大和開關(guān)等作用，基于輸入的電壓來控制流出的電流。多用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(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，不同晶體管的工作特性激發(fā)著原材料市場的不斷更新改革。近年來，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，二維材料應(yīng)運而生。

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品材料。

二維材料——功率半導(dǎo)體的下一個“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維度的納米尺度(1-100nm) 上自由運動(平面運動)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、強度高的特點，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、由過渡金屬二硫化物（TMD）的2D材料為基礎(chǔ)制造簡單功能晶體管

本項研究成果由麻省理工學(xué)院（MIT）團隊開發(fā)。采用“非外延單晶生長”方法，在現(xiàn)有的工業(yè)硅晶圓上生長出純凈無缺陷的二維材料，并制造出更小的晶體管。本項成果有效提高了晶體管的導(dǎo)電性。

2、晶圓級硅基二維互補疊層晶體管

本項研究成果由復(fù)旦大學(xué)周鵬、包文中、萬景團隊合作開發(fā)。研究團隊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CFET結(jié)構(gòu)。此項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、邱晨光研究員團聯(lián)合開發(fā)。該晶體管的其實際性能已經(jīng)超過英特爾商用系列中最先進的硅基晶體管。本次實驗首次達(dá)成了n型二維半導(dǎo)體晶體管的性能理論極限現(xiàn)實化，并且證明了先進硅基技術(shù)性能劣于二維器件。

4、二維材料的硅微芯片集成技術(shù)

本項研究成果由沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)科學(xué)家開發(fā)。團隊將二維絕緣材料（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)。本次實驗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

本項研究成果由麻省理工學(xué)院的Jeehwan Kim開發(fā)。本項全彩色垂直堆疊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，乃至整個功率半導(dǎo)體市場上的商用化，但二維材料的理念其實已在功率半導(dǎo)體研發(fā)和生產(chǎn)中無孔不入。相信在解決了量產(chǎn)瓶頸后，二維材料會為功率半導(dǎo)體市場帶來一場華麗蛻變。

審核編輯：劉清