芯片突破！清華制成世界上柵極長度最小晶體管

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。過去幾十年，晶體管的柵極尺寸在摩爾定律的推動下不斷微縮。但近年來，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納米以下柵長晶體管的瓶頸，任天令團(tuán)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(dǎo)電性能，將其作為柵極，通過石墨烯側(cè)向電場來控制垂直的二硫化鉬（MoS2）溝道的開關(guān)，從而實現(xiàn)等效的物理柵長為0.34納米。

“在相當(dāng)長的一段時間內(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)家李華民評價道，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(dāng)初如何想到采用石墨烯材料來突破瓶頸？

“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)，要實現(xiàn)垂直的溝道結(jié)構(gòu)是其中一個難題。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也是難點(diǎn)，我們開發(fā)出了自氧化鋁層來對石墨烯表面電場進(jìn)行屏蔽。”3月20日，任天令在接受科技日報記者采訪時表示。

如何讓1納米以下柵長晶體管從實驗室成果走向產(chǎn)業(yè)化？任天令答道：“1納米以下柵長晶體管只是一個維度的尺寸微縮，未來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極紫外（EUV）光刻進(jìn)一步微縮到5納米，并進(jìn)一步實現(xiàn)超大規(guī)模的芯片。”

如果說這項研究實現(xiàn)世界上柵長最小晶體管，推動摩爾定律進(jìn)一步發(fā)展到亞1納米級別，是否意味著這也是一個新的開始，將會有新的探索——誕生更小級別的晶體管？

“是的，這確實是新的開始，還將會有新的探索——誕生更小級別的晶體管。”面對記者的提問，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)，因此未來誕生更小級別的晶體管難度很大。比如利用氫原子來進(jìn)行柵極控制很可能是晶體管柵極長度的終極尺寸，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(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：“二維薄膜的未來集成電路將會帶來柔性、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)會實現(xiàn)一個全柔性的手機(jī)，包括CPU、存儲器也可以是柔軟的。對于本工作而言，我們團(tuán)隊在實現(xiàn)世界上柵長最小晶體管基礎(chǔ)上，還實現(xiàn)了更低功耗的晶體管，這就意味著未來的芯片可以更加節(jié)能。”

“這次的科研工作，屬于研究團(tuán)隊經(jīng)過長期積累獲得的一個成果，中間的過程充滿挑戰(zhàn)。這一工作是中國自主知識產(chǎn)權(quán)，未來我們還將繼續(xù)進(jìn)行溝道微縮及大規(guī)模芯片集成等工作，為中國芯作出一份貢獻(xiàn)。”任天令強(qiáng)調(diào)。