近几十年来，半导体产业的发展基本遵循摩尔定律的预测，不断实现场效应晶体管器件的尺寸微缩。但是，随着沟道尺寸减小，短沟道效应带来了显著的源漏隧穿漏电流，导致器件不能有效关断，使传统架构下的硅基场效应晶体管尺寸逐渐达到了其物理极限。晶体管沟道长度极限的突破需要进一步的原理创新，这对后摩尔时代半导体领域的发展具有重要意义。
最近，清华大学物理系博士生李昱珩在魏洋副研究员和陈曦教授的指导下，提出一种全新的动量关联场效应晶体管（momentum-dependent FET，MD-FET）。研究采用垂直交叉的两个一维半金属碳纳米管（carbon nanotube，CNT）作为源漏电极，夹嵌单层二维TMD半导体材料作为沟道，从而实现了沟道长度仅为0.65 nm的垂直型晶体管。两个碳纳米管电极由同一根超长碳纳米管上截取，保证了其手性一致。独特的一维结构使垂直的一维碳纳米管电极间动量失配显著，载流子在MD-FET的源漏电极间的直接弹性隧穿会因为动量不守恒而被有效抑制，可实现完全的关态（关态电流~10-13 A）；同时，由于二维沟道中的电子-声子散射能够补偿动量失配，MD-FET在沟道参与导电的情况下可实现显著的开态。因此，沟道长度小于1纳米的MD-FET展现出高达107的开关比，突破了短沟道效应的理论极限，实现了传统硅基晶体管无法实现的亚纳米级超短沟道。并且，搭建了两个CNT电极的夹角为60°的FET进行了对照实验，此时两个一维电极间的动量失配可忽略，无法抑制弹性隧穿电流（关态电流~10-10 A），这一结果从另一方面证明了动量失配是MD-FET的关键机制。MD-FET为超越硅基晶体管微缩极限开辟了新范式，展现出低维纳米材料在后摩尔时代具有的巨大潜力。
图1 MD-FET机制示意。(A) 根据布里渊区折叠近似下的半金属碳纳米管能带结构示意图（红色实线）。(B) 两个碳纳米管电极之间的动量失配示意图。(C) 开态下，碳纳米管源的电子进入沟道中发生电声散射。(D) 器件的转移特性曲线。
这项研究成果以“Momentum-Dependent Field Effect Transistor”为题发表在Science Advances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李昱珩、李炫璋（已毕业）为文章的共同第一作者。该项工作得到科技部（2022YFA1203400，2021YFA1400100）、国家自然科学基金（61774090，12161141009）、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。
文章链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adv4742
