清华造出世界上栅长最短的晶体管

最近，清华大学集成电路研究所的任教授在小尺寸晶体管的研究方面取得了突破。首次制备了亚1纳米栅长的晶体管，具有良好的电学性能。相关结果发表在最新一期《自然》杂志网络版上。

是晶体管的核心部件。较小的栅极尺寸可以在芯片上集成更多的晶体管，从而提高性能。在过去的几十年里，晶体管的栅极尺寸在摩尔定律的推动下不断缩小。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、漏电流增加和静态功耗增加等短沟道效应变得越来越严重。因此，发展新结构、新材料迫在眉睫。

目前主流行业晶体管的栅极尺寸都在12 nm以上。为了进一步突破1 nm以下栅极长度晶体管的瓶颈，任团队巧妙地利用石墨烯薄膜超薄的单原子层厚度和优异的导电性作为栅极，通过石墨烯的横向电场控制垂直MoS2沟道的开关，从而实现了0.34 nm的等效物理栅极长度。

“在很长一段时间内，打破这个记录是非常困难的。”纽约州立大学水牛城分校的纳米电子学科学家李华民评论说，这项新工作进一步将网格的尺寸限制缩小到“只有一层碳原子的厚度”。那么对于小尺寸晶体管的研究，你是怎么想到用石墨烯材料突破瓶颈的？

“单层石墨烯的厚度只有0.34 nm，因此使用石墨烯作为栅极可以实现极短的栅极尺寸。石墨烯本身是平面结构，要求沟道是垂直结构，垂直沟道结构的实现是难点之一。此外，除了石墨烯的侧壁之外，石墨烯的表面也可以栅化，所以也很难屏蔽石墨烯表面的电场。我们开发了一种自氧化铝层来屏蔽石墨烯表面的电场。”3月20日，任在接受科技日报记者采访时说。

如何让栅极长度小于1 nm的晶体管从实验室成果走向产业化？任凌回答：“栅长小于1 nm的晶体管只是小型化的一个维度。未来需要配合沟道的小型化，这就需要光刻机的帮助，比如通过极紫外(EUV)光刻进一步将沟道尺寸缩小到5 nm，进一步实现超大规模芯片。”

如果这项研究实现了世界上最小栅长的晶体管，推动摩尔定律进一步发展到亚1纳米水平，是否意味着这也是一个新的开始，会有新的探索，——，生产更小的晶体管？

“是的，这确实是一个新的开始，会有新的探索，——，生产更小的晶体管。”面对记者的提问，任肯定地回答，“前提是开发原子尺寸更小的单层材料。目前元素周期表中比碳原子小的材料是潜在的候选材料。但需要注意的是，这些比碳原子更小的材料目前还没有单原子层结构，所以未来生产更小规模的晶体管非常困难。比如利用氢原子进行栅控，很可能是晶体管栅长的终极尺寸，但是金属氢本身的制备就是世界性难题。虽然2017年《科学》报道了金属氢，但是它极不稳定，没有单原子层结构，所以难度很大。”

那么，在未来的集成电路应用中，这种二维薄膜会赋予相关产品哪些与众不同的性能？

任表示：“未来薄膜集成电路将带来柔性、更高密度和透明的电子产品，比如目前非常流行的柔性电子屏幕，但目前的CPU并不柔性。如果使用2D材料，就有机会实现包括CPU和内存在内的全柔性手机。对于这项工作，在实现世界上最小栅长的晶体管的基础上，我们团队还实现了功耗更低的晶体管，这意味着未来的芯片可以节省更多的能量。”

“这项科研工作属于研究团队通过长期积累获得的一项成果，中间过程充满挑战。这部作品是中国的自主知识产权。未来，我们将继续致力于渠道小型化和大规模芯片集成，为中国芯做出贡献。”任强调。