芯片突破！清華制成世界上柵極長(zhǎng)度最小晶體管

近日，清華大學(xué)集成電路學(xué)院教授任天令團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)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(yīng)越來(lái)越嚴(yán)重。因此，新結(jié)構(gòu)和新材料的開發(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(zhǎng)晶體管的瓶頸，任天令團(tuán)隊(duì)巧妙利用石墨烯薄膜超薄的單原子層厚度和優(yōu)異的導(dǎo)電性能，將其作為柵極，通過(guò)石墨烯側(cè)向電場(chǎng)來(lái)控制垂直的二硫化鉬（MoS2）溝道的開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)等效的物理柵長(zhǎng)為0.34納米。

“在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，要打破這一紀(jì)錄是非常困難的。”紐約州立大學(xué)布法羅分校納米電子學(xué)科學(xué)家李華民評(píng)價(jià)道，這項(xiàng)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(duì)于小尺寸晶體管的研究，當(dāng)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?qū)崿F(xiàn)極短的柵極尺寸。石墨烯本身是平面結(jié)構(gòu)，這就要求溝道是垂直結(jié)構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)垂直的溝道結(jié)構(gòu)是其中一個(gè)難題。另外石墨烯除了側(cè)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)，我們開發(fā)出了自氧化鋁層來(lái)對(duì)石墨烯表面電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。”3月20日，任天令在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示。

如何讓1納米以下柵長(zhǎng)晶體管從實(shí)驗(yàn)室成果走向產(chǎn)業(yè)化？任天令答道：“1納米以下柵長(zhǎng)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(jī)，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(xiàn)超大規(guī)模的芯片。”

如果說(shuō)這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)世界上柵長(zhǎng)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(jí)別，是否意味著這也是一個(gè)新的開始，將會(huì)有新的探索——誕生更小級(jí)別的晶體管？

“是的，這確實(shí)是新的開始，還將會(huì)有新的探索——誕生更小級(jí)別的晶體管。”面對(duì)記者的提問，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(jié)構(gòu)，因此未來(lái)誕生更小級(jí)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(zhǎng)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(bào)道了金屬氫，但是金屬氫極不穩(wěn)定，且不存在單原子層結(jié)構(gòu)，因此難度很大。”

那么，在未來(lái)集成電路的應(yīng)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(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)全柔性的手機(jī)，包括CPU、存儲(chǔ)器也可以是柔軟的。對(duì)于本工作而言，我們團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)世界上柵長(zhǎng)最小晶體管基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了更低功耗的晶體管，這就意味著未來(lái)的芯片可以更加節(jié)能。”

“這次的科研工作，屬于研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累獲得的一個(gè)成果，中間的過(guò)程充滿挑戰(zhàn)。這一工作是中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，未來(lái)我們還將繼續(xù)進(jìn)行溝道微縮及大規(guī)模芯片集成等工作，為中國(guó)芯作出一份貢獻(xiàn)。”任天令強(qiáng)調(diào)。