晶體管小尺寸背后的大突破

在科技領域，很多突破都與“多”和“大”有關，但是在集成電路領域，有一個部件正在不斷地往“小”的方向發展，那就是晶體管的柵極尺寸。

如果將中央處理器稱為一臺計算機的心臟，那么芯片就是這具身體的靈魂，幾乎決定了計算機的全部系統性能。晶體管則更是芯片的核心元器件，其更小的柵極尺寸，意味著芯片上可以集成更多的晶體管，并帶來性能飛躍性的提升。

近日，清華大學集成電路學院任天令教授團隊在國際學術期刊《自然》上在線發表題為《具有亞1納米柵極長度的垂直硫化鉬晶體管》的論文，在小尺寸晶體管研究方面取得重要進展，首次實現了具有亞1納米柵極長度且具有良好的電學性能的晶體管。

在過去10多年間，任天令團隊長期致力于二維材料器件技術研究，從材料、器件結構、工藝、系統集成等多層次實現創新突破。

集成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，集成電路芯片上可容納的晶體管數目，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。

過去幾十年晶體管的柵極尺寸在摩爾定律的推動下不斷微縮，然而近年來，隨著晶體管的物理尺寸進入納米尺度，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。

“目前主流工業界晶體管的柵極尺寸在12納米以上，例如我們常用的手機。但如果晶體管關鍵尺寸可以進一步微縮，我們的電子產品就可以更便于攜帶，功能更豐富?！比翁炝钫f。

學術界在極短柵長晶體管方面作出了探索，然而目前國際上研究團隊的極限也僅能實現柵長為1納米的平面硫化鉬晶體管?！熬w管是學術界和產業界生產芯片最基本的出發點，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持?！比翁炝罡嬖V中青報?中青網記者，進一步突破1納米以下柵長晶體管的瓶頸，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晶體管柵極來實現新型的晶體管。在實驗前期，由于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，以盡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，由于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制造工藝，都需要團隊長時間的反復打磨。

“其實我們走了非常多彎路，經歷過大大小小的失敗，實驗到凌晨對團隊成員而言也是家常便飯?！比翁炝钫f。

回憶起這段跌跌撞撞的摸索經歷，任天令反復提起兩個詞，“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，終于實現最小等效物理柵長為0.34納米。團隊成功推動了摩爾定律進一步發展到亞1納米級別，同時為二維薄膜在未來集成電路的應用提供了參考依據。

在這一技術突破的背后，是一支由青年學術人員組成的團隊，加之學術“大咖”的支持，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說，“我在這里面（歲數）是最大的，除了我之外都是年輕人?！?/p>

“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，才終于走通了大規模器件的制備?！眻F隊成員吳凡說。

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――干勁。

“前一個晚上才熬了一個通宵，第二天又起來接著工作?！眻F隊成員沈陽便是其中一個，不同于剛進組面對科研時的迷茫，經過一段時間與團隊伙伴們的共同摸索，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里總是溢滿了欣喜，“團隊每個人都發揮出自己的優勢，針對工藝和仿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，終于實現了目標?！?/p>

據了解，清華大學于2021年4月成立集成電路學院，旨在為實現集成電路學科國際領跑及我國集成電路事業的自主創新發展，提供可靠人才支持。