芯片上的突破 清華制成世界上柵極長(cháng)度最小晶體管

  ICC訊 近日，清華大學(xué)集成電路學(xué)院教授任天令團隊在小尺寸晶體管研究方面取得突破，首次制備出亞1納米柵極長(cháng)度的晶體管，其具有良好的電學(xué)性能。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期《自然》雜志在線(xiàn)版上。

  晶體管是芯片的核心元器件，更小的柵極尺寸能讓芯片上集成更多的晶體管，并提升性能。過(guò)去幾十年，晶體管的柵極尺寸在摩爾定律的推動(dòng)下不斷微縮。但近年來(lái)，隨著(zhù)晶體管的物理尺寸進(jìn)入納米尺度，造成電子遷移率降低、漏電流增大、靜態(tài)功耗增大等短溝道效應越來(lái)越嚴重。因此，新結構和新材料的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。

  目前主流工業(yè)界晶體管的柵極尺寸在12納米以上。為進(jìn)一步突破1納米以下柵長(cháng)晶體管的瓶頸，任天令團隊巧妙利用石墨烯薄膜超薄的單原子層厚度和優(yōu)異的導電性能，將其作為柵極，通過(guò)石墨烯側向電場(chǎng)來(lái)控制垂直的二硫化鉬（MoS2）溝道的開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現等效的物理柵長(cháng)為0.34納米。

  “在相當長(cháng)的一段時(shí)間內，要打破這一紀錄是非常困難的?！奔~約州立大學(xué)布法羅分校納米電子學(xué)科學(xué)家李華民評價(jià)道，這項新工作將柵極的尺寸極限進(jìn)一步縮小到“僅一層碳原子的厚度”。那么，對于小尺寸晶體管的研究，當初如何想到采用石墨烯材料來(lái)突破瓶頸？

  “單層石墨烯厚度僅0.34納米，因此采用石墨烯作為柵極，能夠實(shí)現極短的柵極尺寸。石墨烯本身是平面結構，這就要求溝道是垂直結構，要實(shí)現垂直的溝道結構是其中一個(gè)難題。另外石墨烯除了側壁能夠柵控，其表面也能柵控，因此屏蔽石墨烯表面電場(chǎng)也是難點(diǎn)，我們開(kāi)發(fā)出了自氧化鋁層來(lái)對石墨烯表面電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽?！?月20日，任天令在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)表示。

  如何讓1納米以下柵長(cháng)晶體管從實(shí)驗室成果走向產(chǎn)業(yè)化？任天令答道：“1納米以下柵長(cháng)晶體管只是一個(gè)維度的尺寸微縮，未來(lái)還需要配合溝道的微縮，而這需要借助光刻機，比如把溝道尺寸通過(guò)極紫外（EUV）光刻進(jìn)一步微縮到5納米，并進(jìn)一步實(shí)現超大規模的芯片?！?

  如果說(shuō)這項研究實(shí)現世界上柵長(cháng)最小晶體管，推動(dòng)摩爾定律進(jìn)一步發(fā)展到亞1納米級別，是否意味著(zhù)這也是一個(gè)新的開(kāi)始，將會(huì )有新的探索——誕生更小級別的晶體管？

  “是的，這確實(shí)是新的開(kāi)始，還將會(huì )有新的探索——誕生更小級別的晶體管?！泵鎸τ浾叩奶釂?wèn)，任天令肯定地回答道，“前提是能夠研發(fā)出更小原子尺寸的單層材料。目前在元素周期表上比碳原子小的材料是潛在的候選者，但需要注意，比碳原子小的這些材料目前還不存在單原子層結構，因此未來(lái)誕生更小級別的晶體管難度很大。比如利用氫原子來(lái)進(jìn)行柵極控制很可能是晶體管柵極長(cháng)度的終極尺寸，但是制備金屬氫本身就是世界性難題，雖然《科學(xué)》2017年報道了金屬氫，但是金屬氫極不穩定，且不存在單原子層結構，因此難度很大?！?

  那么，在未來(lái)集成電路的應用中，這種二維薄膜將賦予相關(guān)產(chǎn)品怎樣與眾不同的性能？

  任天令介紹說(shuō)：“二維薄膜的未來(lái)集成電路將會(huì )帶來(lái)柔性、更高密度、透明的電子產(chǎn)品，比如目前很熱點(diǎn)的柔性電子屏幕，但目前的CPU不是柔性的，如果采用了二維材料，就有機會(huì )實(shí)現一個(gè)全柔性的手機，包括CPU、存儲器也可以是柔軟的。對于本工作而言，我們團隊在實(shí)現世界上柵長(cháng)最小晶體管基礎上，還實(shí)現了更低功耗的晶體管，這就意味著(zhù)未來(lái)的芯片可以更加節能?！?

  “這次的科研工作，屬于研究團隊經(jīng)過(guò)長(cháng)期積累獲得的一個(gè)成果，中間的過(guò)程充滿(mǎn)挑戰。這一工作是中國自主知識產(chǎn)權，未來(lái)我們還將繼續進(jìn)行溝道微縮及大規模芯片集成等工作，為中國芯作出一份貢獻?！比翁炝顝娬{。