重大進展

9月15日，華中科技大學材料成形與模具技術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，是構成當前大容量固態(tài)存儲器發(fā)展的核心元器件。

剖析它的結構會發(fā)現，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）。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 浮柵結構圖

華中科技大學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），本名為半導體三極管(包括二極管、三極管、場效應管、晶閘管等，有時特指雙極型器件)，是內部含有兩個PN結，外部通常為三個引出電極的固體半導體器件。它對電信號有放大和開關等作用，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、穩(wěn)壓、信號調制和許多其它功能。是功率半導體的重要組成部分。

PN結原理

PN結（PN junction）是在一塊本征半導體（純凈的，不含雜質的半導體）中，摻以不同的雜質，使其一邊成為P型，另一邊成為N型。隨后將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體基片上，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。

圖4 PN結工作原理示意圖

晶體管的主要制作原料是半導體材料（即導電率介于導體和絕緣體之間的材料）。根據晶體管中PN結的材料、摻雜分布、 幾何結構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，二維材料應運而生。

在納米尺度上，二維材料電子傳導性更高，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——功率半導體的下一個“風口”

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，常被用于半導體科學研究。

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，設備要求，以及在接觸電阻、柵介質等方面的瓶頸，截止到目前，二維晶體管所能實現的性能比起傳統(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材料為基礎制造簡單功能晶體管

本項研究成果由麻省理工學院（MIT）團隊開發(fā)。采用“非外延單晶生長”方法，在現有的工業(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

本項研究成果由復旦大學周鵬、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準后端工藝，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型二硫化鉬的異質互補CFET結構。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電子學院彭練矛院士、邱晨光研究員團聯合開發(fā)。該晶體管的其實際性能已經超過英特爾商用系列中最先進的硅基晶體管。本次實驗首次達成了n型二維半導體晶體管的性能理論極限現實化，并且證明了先進硅基技術性能劣于二維器件。

4、二維材料的硅微芯片集成技術

本項研究成果由沙特阿卜杜拉國王科技大學科學家開發(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—氧化物半導體技術制成的硅晶體管的微芯片內。本次實驗大大提升了硅晶體管微芯片的集成密度和產品性能。

5、全彩色垂直堆疊μLED

本項研究成果由麻省理工學院的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。是公開數據中的最高陣列密度和和最小尺寸。

總結

雖然短期內我們還不太可能看到二維材料在晶體管，乃至整個功率半導體市場上的商用化，但二維材料的理念其實已在功率半導體研發(fā)和生產中無孔不入。相信在解決了量產瓶頸后，二維材料會為功率半導體市場帶來一場華麗蛻變。

審核編輯：劉清