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晶体管小尺寸背后的大突破

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发表时间:2022-04-14 16:25

在科技领域,很多突破都与“多”和“大”有关,但是在集成电路领域,有一个部件正在不断地往“小”的方向发展,那就是晶体管的栅极尺寸。

  如果将中央处理器称为一台计算机的心脏,那么芯片就是这具身体的灵魂,几乎决定了计算机的全部系统性能。晶体管则更是芯片的核心元器件,其更小的栅极尺寸,意味着芯片上可以集成更多的晶体管,并带来性能飞跃性的提升。

  近日,清华大学集成电路学院任天令教授团队在国际学术期刊《自然》上在线发表题为《具有亚1纳米栅极长度的垂直硫化钼晶体管》的论文,在小尺寸晶体管研究方面取得重要进展,首次实现了具有亚1纳米栅极长度且具有良好的电学性能的晶体管。

  在过去10多年间,任天令团队长期致力于二维材料器件技术研究,从材料、器件结构、工艺、系统集成等多层次实现创新突破。

  集成电路领域有一个著名定律叫“摩尔定律”。戈登·摩尔曾经在1965年提出,集成电路芯片上可容纳的晶体管数目,每隔18-24个月便会增加一倍,微处理器的性能提高一倍,或价格下降一半。

  过去几十年晶体管的栅极尺寸在摩尔定律的推动下不断微缩,然而近年来,随着晶体管的物理尺寸进入纳米尺度,电子迁移率降低、漏电流增大、静态功耗增大等问题层出不穷,使得新结构和新材料的开发迫在眉睫。

  “目前主流工业界晶体管的栅极尺寸在12纳米以上,例如我们常用的手机。但如果晶体管关键尺寸可以进一步微缩,我们的电子产品就可以更便于携带,功能更丰富。”任天令说。

  学术界在极短栅长晶体管方面作出了探索,然而目前国际上研究团队的极限也仅能实现栅长为1纳米的平面硫化钼晶体管。“晶体管是学术界和产业界生产芯片最基本的出发点,如果能把这个最小的基本单元做好的话,毫无疑问能给一系列外延功能提供更好的支持。”任天令告诉中青报·中青网记者,进一步突破1纳米以下栅长晶体管的瓶颈,成了团队下决心要解决的重点问题。

  其实早在2018年,任天令团队就提出了一个想法,希望用少层或者单层石墨烯的边缘作为晶体管栅极来实现新型的晶体管。在实验前期,由于石墨烯二维材料特殊的物理性质,团队需要在整体器件工艺上进一步优化,以尽量在实验室条件下减少工艺流程,增加其可靠性。

  然而这个鲜有科研团队涉足的领域,由于缺乏先前实验参照及预期中的不可知性,团队遇到了一道道难关,哪怕是其中一个看似简单的制造工艺,都需要团队长时间的反复打磨。

  “其实我们走了非常多弯路,经历过大大小小的失败,实验到凌晨对团队成员而言也是家常便饭。”任天令说。

  回忆起这段跌跌撞撞的摸索经历,任天令反复提起两个词,“持之以恒”和“团队协作”。

  在团队成员夜以继日的努力下,他们巧妙利用石墨烯薄膜超薄的单原子层厚度和优异的导电性能作为栅极,通过石墨烯侧向电场来控制垂直的MoS2沟道的开关,终于实现最小等效物理栅长为0.34纳米。团队成功推动了摩尔定律进一步发展到亚1纳米级别,同时为二维薄膜在未来集成电路的应用提供了参考依据。

  在这一技术突破的背后,是一支由青年学术人员组成的团队,加之学术“大咖”的支持,团队最终推动了微处理器领域跨越性的进步。任天令甚至开玩笑地说,“我在这里面(岁数)是最大的,除了我之外都是年轻人。”

  “在摸索过程中,我们所有成员一直坚信方向的正确性,不断在小组内讨论、修改、完善,才终于走通了大规模器件的制备。”团队成员吴凡说。

  在任天令眼中,这支由年轻人所组成的团队,拥有着科研探索中最难能可贵的一样品质——干劲。

  “前一个晚上才熬了一个通宵,第二天又起来接着工作。”团队成员沈阳便是其中一个,不同于刚进组面对科研时的迷茫,经过一段时间与团队伙伴们的共同摸索,再加之团队老师的指导,他逐渐体会到科研的意义和乐趣。

  实验室中一次又一次的数据推演、实验、修改,见证了团队一步一步迎难而上的努力,几年来的心血终归得到了回报,团队中的每一位成员都受到了极大的鼓舞。提起这些,团队成员苟广洋的言语里总是溢满了欣喜,“团队每个人都发挥出自己的优势,针对工艺和仿真过程中的问题提出了解决思路和方案,经过几年坚持不懈的努力,终于实现了目标。”

  据了解,清华大学于2021年4月成立集成电路学院,旨在为实现集成电路学科国际领跑及我国集成电路事业的自主创新发展,提供可靠人才支持。

  对于未来,任天令表示,团队会针对最新的技术及社会需求,进一步向前推进材料、技术支持,使1纳米以下栅长晶体管能够从实验室走向产业化。他说,“希望团队能够进一步推动新路径的形成,我们将来不只是在技术或研究方面,还要在产业方面运用这样的路径,带领我们走向国际领先位置。”


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