電晶體小尺寸背後的大突破

　　亞1奈米柵長電晶體結構示意圖。 清華大學供圖

在科技領域，很多突破都與“多”和“大”有關，但是在積體電路領域，有一個部件正在不斷地往“小”的方向發展，那就是電晶體的柵極尺寸。

如果將中央處理器稱為一台電腦的心臟，那麼晶片就是這具身體的靈魂，幾乎決定了電腦的全部系統性能。電晶體則更是晶片的核心元器件，其更小的柵極尺寸，意味著晶片上可以整合更多的電晶體，並帶來性能飛躍性的提升。

近日，清華大學積體電路學院任天令教授團隊在國際學術期刊《自然》上線上發表題為《具有亞1奈米柵極長度的垂直硫化鉬電晶體》的論文，在小尺寸電晶體研究方面取得重要進展，首次實現了具有亞1奈米柵極長度且具有良好的電學性能的電晶體。

在過去10多年間，任天令團隊長期致力於二維材料器件技術研究，從材料、器件結構、工藝、系統整合等多層次實現創新突破。

積體電路領域有一個著名定律叫“摩爾定律”。戈登·摩爾曾經在1965年提出，積體電路晶片上可容納的電晶體數目，每隔18-24個月便會增加一倍，微處理器的性能提高一倍，或價格下降一半。

過去幾十年電晶體的柵極尺寸在摩爾定律的推動下不斷微縮，然而近年來，隨著電晶體的物理尺寸進入奈米尺度，電子遷移率降低、漏電流增大、靜態功耗增大等問題層出不窮，使得新結構和新材料的開發迫在眉睫。

“目前主流工業界電晶體的柵極尺寸在12奈米以上，例如我們常用的手機。但如果電晶體關鍵尺寸可以進一步微縮，我們的電子産品就可以更便於攜帶，功能更豐富。”任天令説。

學術界在極短柵長電晶體方面作出了探索，然而目前國際上研究團隊的極限也僅能實現柵長為1奈米的平面硫化鉬電晶體。“電晶體是學術界和産業界生産晶片最基本的出發點，如果能把這個最小的基本單元做好的話，毫無疑問能給一系列外延功能提供更好的支援。”任天令告訴中青報·中青網記者，進一步突破1奈米以下柵長電晶體的瓶頸，成了團隊下決心要解決的重點問題。

其實早在2018年，任天令團隊就提出了一個想法，希望用少層或者單層石墨烯的邊緣作為電晶體柵極來實現新型的電晶體。在實驗前期，由於石墨烯二維材料特殊的物理性質，團隊需要在整體器件工藝上進一步優化，以儘量在實驗室條件下減少工藝流程，增加其可靠性。

然而這個鮮有科研團隊涉足的領域，由於缺乏先前實驗參照及預期中的不可知性，團隊遇到了一道道難關，哪怕是其中一個看似簡單的製造工藝，都需要團隊長時間的反覆打磨。

“其實我們走了非常多彎路，經歷過大大小小的失敗，實驗到淩晨對團隊成員而言也是家常便飯。”任天令説。

回憶起這段跌跌撞撞的摸索經歷，任天令反覆提起兩個詞，“持之以恒”和“團隊協作”。

在團隊成員夜以繼日的努力下，他們巧妙利用石墨烯薄膜超薄的單原子層厚度和優異的導電性能作為柵極，通過石墨烯側向電場來控制垂直的MoS2溝道的開關，終於實現最小等效物理柵長為0.34奈米。團隊成功推動了摩爾定律進一步發展到亞1奈米級別，同時為二維薄膜在未來積體電路的應用提供了參考依據。

在這一技術突破的背後，是一支由青年學術人員組成的團隊，加之學術“大咖”的支援，團隊最終推動了微處理器領域跨越性的進步。任天令甚至開玩笑地説，“我在這裡面（歲數）是最大的，除了我之外都是年輕人。”

“在摸索過程中，我們所有成員一直堅信方向的正確性，不斷在小組內討論、修改、完善，才終於走通了大規模器件的製備。”團隊成員吳凡説。

在任天令眼中，這支由年輕人所組成的團隊，擁有著科研探索中最難能可貴的一樣品質——幹勁。

“前一個晚上才熬了一個通宵，第二天又起來接著工作。”團隊成員瀋陽便是其中一個，不同於剛進組面對科研時的迷茫，經過一段時間與團隊夥伴們的共同摸索，再加之團隊老師的指導，他逐漸體會到科研的意義和樂趣。

實驗室中一次又一次的數據推演、實驗、修改，見證了團隊一步一步迎難而上的努力，幾年來的心血終歸得到了回報，團隊中的每一位成員都受到了極大的鼓舞。提起這些，團隊成員茍廣洋的言語裏總是溢滿了欣喜，“團隊每個人都發揮出自己的優勢，針對工藝和倣真過程中的問題提出了解決思路和方案，經過幾年堅持不懈的努力，終於實現了目標。”

據了解，清華大學于2021年4月成立積體電路學院，旨在為實現積體電路學科國際領跑及我國積體電路事業的自主創新發展，提供可靠人才支援。

對於未來，任天令表示，團隊會針對最新的技術及社會需求，進一步向前推進材料、技術支援，使1奈米以下柵長電晶體能夠從實驗室走向産業化。他説，“希望團隊能夠進一步推動新路徑的形成，我們將來不只是在技術或研究方面，還要在産業方面運用這樣的路徑，帶領我們走向國際領先位置。”

來源：中國青年報