本文介绍了清华大学物理系博士生梅圳及其团队在二维垂直晶体管领域的研究成果。通过使用单壁金属碳纳米管作为电极，构筑了全范德华接触二维垂直晶体管器件，有效抑制了短沟道效应，并在垂直器件中实现了超短沟道和超短接触。该研究充分展示了一维二维混合维度体系在构筑垂直器件方面的优势，是低维纳米材料的三维异质集成的重要解决方案。
二维材料的独特结构和优异特性使得低维纳米材料的三维异质集成成为可能。然而，当二维垂直晶体管沟道长度缩减到10 nm时，会出现短沟道效应，导致器件性能下降。因此，抑制短沟道效应提升垂直器件的性能对于其在纳米电子器件中的进一步应用具有重要意义。
清华大学物理系博士生梅圳在魏洋副研究员和王佳平教授的指导下，使用单壁金属碳纳米管作为电极，构筑了全范德华接触二维垂直晶体管器件，有效抑制了垂直器件的短沟道效应。实验结果表明，该器件在超短沟道（< 10 nm）下展现出优异的综合性能。
垂直晶体管器件性能的极大提升主要归因于碳纳米管低的态密度、弱的费米能级钉扎效应和弱的静电屏蔽效应，使半金属半导体接触的肖特基势垒大范围高效可调，从而短沟道效应被抑制，器件综合性能获得提升。
该研究充分展示了一维二维混合维度体系在构筑垂直器件方面的优势，是低维纳米材料的三维异质集成、垂直晶体管器件接近并突破传统极限的重要解决方案。
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二维材料的独特结构和优异特性使低维纳米材料的三维异质集成成为可能，并且基于此策略发展的垂直晶体管器件具有特征尺寸小、开电流密度大、可柔性化等一系列优势，是纳米科技领域的研究前沿。然而当二维垂直晶体管沟道长度缩减到10 nm会出现短沟道效应，导致器件不能有效关断，综合性能下降。因此抑制短沟道效应提升垂直器件的性能，对于垂直场效应晶体管在纳米电子器件中的进一步应用具有重要的意义。
最近清华大学物理系博士生梅圳在魏洋副研究员和王佳平教授的指导下，使用具有一维结构的单壁金属碳纳米管作为电极，构筑了全范德华接触二维垂直晶体管器件，碳纳米管接触的引入有效抑制了垂直器件的短沟道效应，并且在垂直器件中同时实现了超短沟道（<10 nm）和超短接触(<2 nm)。实验上分别构筑和对比研究了具有石墨烯接触电极（Gr-VFET）和碳纳米管接触电极（CNT-VFET）的垂直器件，结构如图a和图b所示，沟道为MoS
2
，栅介质为离子液体（DEME-TFSI）。实验结果表明CNT-VFET在5～10 nm超短沟道垂直器件中展现出优异的综合性能：大的开关比（>10
5
）和低亚阈值摆幅（<160 mV/dec），以及超短接触下的欧姆接触和大的开电流密度（>10
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A cm
-2
）；沟道长度的特征尺寸缩减到3.4 nm器件开关比仍能达到10
3
；CNT-VFET器件的各项性能指标均显著优于Gr-VFET。垂直晶体管器件性能的极大提升主要归因于CNT低的态密度、弱的费米能级钉扎效应和弱的静电屏蔽效应，使半金属半导体接触的肖特基势垒大范围高效可调，从而短沟道效应被抑制，器件综合性能获得提升。该研究充分展示了一维二维混合维度体系在构筑垂直器件方面的优势，是低维纳米材料的三维异质集成、垂直晶体管器件接近并突破传统极限的重要解决方案。
图1：(a,b) CNT-VFET及Gr-VFET结构示意图；(c,d,e) 不同沟道长度垂直晶体管器件开关比，亚阈值摆幅，电流密度性能对比图。
这项研究成果以“Two-Dimensional Vertical Transistor with One-Dimensional van der Waals Contact”为题发表在ACS Nano上。
清华大学物理系魏洋副研究员为该文的通讯作者，清华大学物理系博士生梅圳为文章的第一作者。该项工作得到科技部（2022YFA1203401，2018YFA0208401）、国家自然科学基金（61774090）、广东省重点领域研发计划（2020B010169001）和清华-富士康纳米科技研究中心的支持。
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c09615
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