晶体管小尺寸背后的大突破

在科技领域，很多突破都与“多”和“大”有关，但在集成电路领域，有一个元件在不断向“小”的方向发展，那就是晶体管的栅极尺寸。

如果说CPU被称为电脑的心脏，那么芯片就是这个身体的灵魂，几乎决定了电脑的整个系统性能。晶体管是芯片的核心部件，更小的栅极尺寸意味着芯片上可以集成更多的晶体管，性能可以得到突飞猛进的提升。

近日，清华大学集成电路研究所任教授团队在国际学术期刊《自然》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。首次实现了亚1纳米栅长、电学性能良好的晶体管。

近10年来，任团队长期致力于二维材料器件技术的研究，在材料、器件结构、工艺和系统集成等方面实现了创新突破。

集成电路领域有一个著名的定律叫做摩尔定律。戈登摩尔曾在1965年提出，集成电路芯片中可容纳的晶体管数量每18-24个月增加一倍，微处理器的性能增加一倍，或者价格下降一半。

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。但近年来，随着晶体管物理尺寸进入纳米尺度，电子迁移率下降、漏电流增大、静态功耗增加等问题层出不穷，使得新结构、新材料的开发迫在眉睫。

“目前主流行业晶体管的栅极尺寸都在12纳米以上，比如我们常用的手机。但如果晶体管的关键尺寸能够进一步缩小，我们的电子产品就可以更加便携，功能也更加丰富。”任说道。

学术界在极短栅长晶体管方面做了一些探索。但目前国际研究团队的极限只能实现栅长1 nm的平面硫化钼晶体管。“晶体管是学术界和工业界生产芯片最基本的出发点。如果这个最小的基本单元能做好，无疑能为一系列外延功能提供更好的支撑。”任告诉中国青年报中青网记者，进一步突破栅长1 nm以下晶体管的瓶颈，成为团队下决心解决的关键问题。

事实上，早在2018年，任的团队就提出了一个想法，希望利用几层或单层石墨烯的边缘作为晶体管栅极，实现一种新型晶体管。在实验前期，由于石墨烯2D材料的特殊物理性质，团队需要进一步优化整体器件工艺，以尽可能减少工艺流程，增加其在实验室条件下的可靠性。

然而，由于缺乏以往的实验参考，以及很少有科研团队涉足的该领域的预期不可知性，团队遇到了一系列困难。哪怕是一个看似简单的制造工艺，也需要团队长时间的反复打磨。

“其实我们走过很多弯路，经历过大大小小的失败，团队成员实验到凌晨是常事。”任说道。

回忆起这段跌跌撞撞的摸索经历，任反复提到两个词，“毅力”和“团队合作”。

在团队成员夜以继日的努力下，他们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，最终实现了0.34 nm的最小等效物理栅极长度。团队成功将摩尔定律推广到亚1纳米水平，为二维薄膜在未来集成电路中的应用提供了参考。

这一技术突破的背后是一个年轻的学术团队，在学术“大咖”的支持下，团队最终推动了微处理器领域的跨越式进步。任甚至开玩笑说：“我是这一带最老的，除了我自己都年轻。”

“在摸索的过程中，我们所有成员一直坚信方向的正确，一直在小组里讨论、修改、完善，才最终熬过了大型装置的准备。”团队成员吴凡说。

在任的眼里，这支由年轻人组成的团队，最可贵的品质是——的科研探索魄力。

“前一天晚上熬了一夜，第二天起来继续工作。”团队成员沈阳就是其中一员，不同于刚入队时科研上的迷茫。经过一段时间与团队伙伴的共同探索和团队老师的指导，他逐渐体会到科研的意义和乐趣。

实验室里一次次的数据推演、实验、修正，见证了团队一步步攻克难关的努力。过去几年的努力终于有了回报，团队的每个成员都受到了极大的鼓舞。提起这些，队员苟的言语中总是充满喜悦。“团队中的每个人都充分利用了自己的优势，针对工艺和仿真过程中出现的问题提出了解决方案和方案，经过几年的不懈努力，最终实现了目标。”

据了解，清华大学集成电路研究所成立于2021年4月，旨在为实现集成电路国际领先地位和中国集成电路自主创新发展提供可靠的人才支撑。

对于未来，任表示，团队将根据最新的技术和社会需求，进一步推进材料和技术支持，使栅极长度在1 nm以下的晶体管从实验室走向产业化。他说，“我希望团队能进一步推动新路径的形成。未来，我们将不仅在技术或研究领域，而且在工业领域使用这条道路，引领我们走向国际领先地位。”