4 月 27 日，《自然·电子学》（Nature Electronics）杂志刊登了长沙市集成电路设计与应用产业技术创新战略联盟理事长单位湖南大学物理与微电子科学学院教授、麻省理工科技评论 2019 年“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主刘渊教授团队的一项突破性进展。他们通过使用范德华金属集成的方法，成功实现了 1 纳米物理沟道长度的垂直场效应晶体管，为半导体器件性能的进一步提升提供了全新的思路。

纳米的数值一直是芯片行业划分制程工艺代的节点数值，数值越小意味着能耗更低、性能更强。近些年来，这个数值一直保持在 20 纳米的附近，无法随着工艺节点进一步降低。要进一步缩短晶体管的沟道长度——从 20 纳米再往下，达到 10 纳米，5 纳米，甚至 1 纳米，现有的工艺技术就捉襟见肘了，因此芯片节点数实际上已经无法代表晶体管真实的物理尺寸。

垂直结构晶体管这种横空出世的新结构，为半导体行业继续延续“摩尔定律”注入了全新的思路。传统的晶体管结构是水平的，沟道长度取决于源极和漏极之间的水平距离。但垂直结构中，沟道长度将可以只取决于晶体管的厚度，而不受传统光刻和刻蚀的精度的限制和影响。因此，垂直结构晶体管将有望进一步微缩晶体管的物理尺寸。

图 | 常规水平结构晶体管（来源：Nature Electronics）

图 | 垂直结构晶体管（来源：Nature Electronics）

如何实现这一结构？刘渊教授和他的团队提出了一种全新的思路：使用范德华金属集成的方法来创建超短沟道的垂直晶体管。与传统的金属沉积技术相比，范德华金属集成可以实现原子级别平整的界面，从而保证超薄原子沟道近乎“完美”的平整度，进而最大限度地减少漏电流的发生。因此，采用范德华金属电极的器件，其器件的栅极调控和开关比有大幅度提高。

图 | 范德华金属集成技术制成的二维金界面，在原子级别的分辨率下依然保持了完美的二维晶格结构（来源：Nature Electronics）

刘渊教授团队发现，具有 5 纳米沟道长度的垂直晶体管展示出了三个数量级的开关比，这比常规蒸镀电极的器件高出了一个数量级以上。而通过将沟道长度缩小到 0.65 纳米，单层器件的开关比有所下降，但范德华垂直晶体管依然展现出了本征的 N 型半导体特性，表明了短沟道效应在原子尺度下依然没有主导器件的性能。尽管在单层极限情况下器件展示出了一定的隧穿电流和短沟道效应，但他们依然证实，范德华金属电极可以实现具有器件功能的亚1 纳米垂直晶体管。

相比于传统工艺，他们制备出的晶体管将性能提升了两个数量级，展示出了诱人的发展前景。这项研究有望为生产出拥有超高性能的 1 纳米、甚至亚纳米级别的晶体管，以及制备其它因工艺水平限制而出现不完美界面的范德华异质结器件，提供了一种全新的低能耗解决方案。