深圳机器人~清华重大突破登上Nature:亚1纳米制程晶体管
从 20 世纪 50 时代集成电路面世以来,硅晶体管像摩尔定律猜测的那样逐步缩小。微芯片上的晶体管数量越来越多,核算才能也越来越高。 但是,近年来,晶体管的尺度正在敏捷挨近极限。栅极长度很快就将无法再缩小,摩尔定律行将完结的「唱衰」之音在芯片职业泛起。 在所有晶体管中,电流从源极流向漏极,这种电子活动由栅极操控,栅极根据施加的电压翻开和封闭。因而栅极的长度是晶体管尺度的要害标志。在 5 nm 以下,因为隧穿效应(一种量子物理现象),硅不再能够操控电子从源极到漏极的活动。 最近,科学家们开端探究用于下一代电子产品的二维资料,包含由单层碳原子组成的石墨烯,以及两层硫原子中心夹一层钼原子组成的二硫化钼(MoS2)。例如,在 2016 年,科学家们运用碳纳米管和二硫化钼制作了一个栅极长度仅为 1 nm 的晶体管,但这还不是极限。 近来,清华大学集成电路学院任天令教授团队在小尺度晶体管研讨方面获得重大突破,初次完结了具有亚 1 纳米栅极长度的晶体管,并具有杰出的电学功能。这项研讨以《具有亚 1 纳米栅极长度的笔直硫化钼晶体管(Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths)》为题,刊登于最新一期《Nature》杂志。 论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-04323-3 论文通讯作者为清华大学集成电路学院任天令教授和田禾副教授,一起榜首作者包含清华大学集成电路学院 2018 级博士生吴凡、田禾副教授、2019 级博士生沈阳,其他参与研讨的作者包含清华大学集成电路学院 2020 级硕士生侯展、2018 级硕士生任杰、2022 级博士生苟广洋、杨轶副教授和华东师范大学通讯与电子工程学院孙亚宾副教授。 「咱们现已完结了世界上栅极长度最小的晶体管,」任天令表明。这种晶体管的栅极长度仅约三分之一纳米宽,大约适当于单层碳原子的厚度。 任天令教授 要想了解这种新设备,你能够幻想楼梯的两个台阶,较高的台阶顶部是源极,较低台阶的顶部是漏极,两者均由钛钯金属触点制成。楼梯的截面作为衔接源极和漏极的电子沟道,它由二硫化钼制成。该截面之下是一层薄薄的电绝缘二氧化铪。 图 1:亚 1 纳米栅长晶体管结构示意图。亮点代表晶体管的栅电极。 在更高的那级台阶内部,是一个多层三明治结构。底层是一片石墨烯,由单层碳原子组成;在它之上是一块覆盖着氧化铝的铝块,使石墨烯和二硫化钼简直彻底别离,除了在更高台阶的笔直侧有一个薄薄的空隙。较高和较低的两级台阶都坐落 5cm 硅晶片的二氧化硅层上。 研讨团队奇妙地运用石墨烯薄膜超薄的单原子层厚度和优异的导电功能作为栅极,经过石墨烯侧向电场来操控笔直的二硫化钼沟道的开关,然后完结等效的物理栅长为 0.34nm,与石墨烯层宽度相同。 经过在石墨烯外表堆积金属铝并天然氧化的方法,该研讨完结了对石墨烯笔直方向电场的屏蔽,并运用原子层堆积的二氧化铪作为栅极介质、化学气相堆积的单层二维二硫化钼薄膜作为沟道。详细器材结构、工艺流程、完结实物图如下图所示: 图 2:亚 1 纳米栅长晶体管器材工艺流程,示意图,表征图以及实物图。 「在未来,人们简直不或许制作小于 0.34nm 的栅极长度,」任天令教授表明。「这或许是摩尔定律的最终一个节点了。」 2021 年,另一个研讨小组发布了他们研讨的一种笔直晶体管,它运用二硫化钼制成,栅长为 0.65 nm。但清华的这项新作业将栅极的尺度约束进一步推至「仅一层碳原子的厚度」,纽约州立大学布法罗分校的纳米电子学科学家 Huamin Li 说。在适当长的一段时间内,要打破这一纪录是很困难的。 在晶体管中,当施加电场时,栅极开和关的状况一般存在长度上的差异,但在更大的范围内,这种效应一般并不显着。在这个新装置中,当有电压施加到栅极上使其切换到封闭状况时,栅极的等效长度变成了 4.54 纳米,这一差异能够证明是一个优势。 「在封闭状况下,具有较高电阻的长沟道将有助于避免走漏电流,」Li 说,「相反,在导通状况下,具有较小电阻的较短沟道将进步导通状况下的电流密度。」 这项作业推动了摩尔定律进一步开展到亚 1 纳米等级,一起为二维薄膜在未来集成电路的使用供给了参阅根据。 未来,清华的研讨人员方案用他们的新式晶体管发明更大规划的电路。任天令说:「下一个方针是制作 1-bit CPU。」不过,这个方针也充溢应战,其间一个或许的应战是制作更高质量、更大面积的二硫化钼,以及这种资料现在居高不下的本钱。 总而言之,「这项原型作业是继 FinFET 技能的开展之后,人类探究晶体管笔直架构的新测验,」Li 说,「期望这将激起更多的发明性主意,以充沛探究 2D 资料的潜力,并将摩尔定律推行到高功能节能纳米电子范畴。」
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