在科技領(lǐng)域，很多突破都與“多”和“大”有關(guān)，但是在集成電路領(lǐng)域，有一個(gè)部件正在不斷地往“小”的方向發(fā)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(jì)算機(jī)的心臟，那么芯片就是這具身體的靈魂，幾乎決定了計(jì)算機(jī)的全部系統(tǒng)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(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上在線發(fā)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(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了具有亞1納米柵極長度且具有良好的電學(xué)性能的晶體管。
在過去10多年間，任天令團(tuán)隊(duì)長期致力于二維材料器件技術(shù)研究，從材料、器件結(jié)構(gòu)、工藝、系統(tǒng)集成等多層次實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破。
集成電路領(lǐng)域有一個(gè)著名定律叫“摩爾定律”。戈登·摩爾曾經(jīng)在1965年提出，集成電路芯片上可容納的晶體管數(shù)目，每隔18-24個(gè)月便會增加一倍，微處理器的性能提高一倍，或價(jià)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(jìn)入納米尺度，電子遷移率降低、漏電流增大、靜態(tài)功耗增大等問題層出不窮，使得新結(jié)構(gòu)和新材料的開發(fā)迫在眉睫。
“目前主流工業(yè)界晶體管的柵極尺寸在12納米以上，例如我們常用的手機(jī)。但如果晶體管關(guān)鍵尺寸可以進(jìn)一步微縮，我們的電子產(chǎn)品就可以更便于攜帶，功能更豐富。”任天令說。
學(xué)術(shù)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(tuán)隊(duì)的極限也僅能實(shí)現(xiàn)柵長為1納米的平面硫化鉬晶體管。“晶體管是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界生產(chǎn)芯片最基本的出發(fā)點(diǎn)，如果能把這個(gè)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。”任天令告訴中青報(bào)·中青網(wǎng)記者，進(jìn)一步突破1納米以下柵長晶體管的瓶頸，成了團(tuán)隊(duì)下決心要解決的重點(diǎn)問題。
其實(shí)早在2018年，任天令團(tuán)隊(duì)就提出了一個(gè)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(shí)現(xiàn)新型的晶體管。在實(shí)驗(yàn)前期，由于石墨烯二維材料特殊的物理性質(zhì)，團(tuán)隊(duì)需要在整體器件工藝上進(jìn)一步優(yōu)化，以盡量在實(shí)驗(yàn)室條件下減少工藝流程，增加其可靠性。
然而這個(gè)鮮有科研團(tuán)隊(duì)涉足的領(lǐng)域，由于缺乏先前實(shí)驗(yàn)參照及預(yù)期中的不可知性，團(tuán)隊(duì)遇到了一道道難關(guān)，哪怕是其中一個(gè)看似簡單的制造工藝，都需要團(tuán)隊(duì)長時(shí)間的反復(fù)打磨。
“其實(shí)我們走了非常多彎路，經(jīng)歷過大大小小的失敗，實(shí)驗(yàn)到凌晨對團(tuán)隊(duì)成員而言也是家常便飯。”任天令說。
回憶起這段跌跌撞撞的摸索經(jīng)歷，任天令反復(fù)提起兩個(gè)詞，“持之以恒”和“團(tuán)隊(duì)協(xié)作”。
在團(tuán)隊(duì)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(yōu)異的導(dǎo)電性能作為柵極，通過石墨烯側(cè)向電場來控制垂直的MoS2溝道的開關(guān)，終于實(shí)現(xiàn)最小等效物理柵長為0.34納米。團(tuán)隊(duì)成功推動了摩爾定律進(jìn)一步發(fā)展到亞1納米級別，同時(shí)為二維薄膜在未來集成電路的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。
在這一技術(shù)突破的背后，是一支由青年學(xué)術(shù)人員組成的團(tuán)隊(duì)，加之學(xué)術(shù)“大咖”的支持，團(tuán)隊(duì)最終推動了微處理器領(lǐng)域跨越性的進(jìn)步。任天令甚至開玩笑地說，“我在這里面（歲數(shù)）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(jiān)信方向的正確性，不斷在小組內(nèi)討論、修改、完善，才終于走通了大規(guī)模器件的制備。”團(tuán)隊(duì)成員吳凡說。
在任天令眼中，這支由年輕人所組成的團(tuán)隊(duì)，擁有著科研探索中最難能可貴的一樣品質(zhì)——干勁。
“前一個(gè)晚上才熬了一個(gè)通宵，第二天又起來接著工作。”團(tuán)隊(duì)成員沈陽便是其中一個(gè)，不同于剛進(jìn)組面對科研時(shí)的迷茫，經(jīng)過一段時(shí)間與團(tuán)隊(duì)伙伴們的共同摸索，再加之團(tuán)隊(duì)老師的指導(dǎo)，他逐漸體會到科研的意義和樂趣。
實(shí)驗(yàn)室中一次又一次的數(shù)據(jù)推演、實(shí)驗(yàn)、修改，見證了團(tuán)隊(duì)一步一步迎難而上的努力，幾年來的心血終歸得到了回報(bào)，團(tuán)隊(duì)中的每一位成員都受到了極大的鼓舞。提起這些，團(tuán)隊(duì)成員茍廣洋的言語里總是溢滿了欣喜，“團(tuán)隊(duì)每個(gè)人都發(fā)揮出自己的優(yōu)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(jīng)過幾年堅(jiān)持不懈的努力，終于實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)。”
據(jù)了解，清華大學(xué)于2021年4月成立集成電路學(xué)院，旨在為實(shí)現(xiàn)集成電路學(xué)科國際領(lǐng)跑及我國集成電路事業(yè)的自主創(chuàng)新發(fā)展，提供可靠人才支持。
對于未來，任天令表示，團(tuán)隊(duì)會針對最新的技術(shù)及社會需求，進(jìn)一步向前推進(jìn)材料、技術(shù)支持，使1納米以下柵長晶體管能夠從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。他說，“希望團(tuán)隊(duì)能夠進(jìn)一步推動新路徑的形成，我們將來不只是在技術(shù)或研究方面，還要在產(chǎn)業(yè)方面運(yùn)用這樣的路徑，帶領(lǐng)我們走向國際領(lǐng)先位置。”
中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 葉雨婷 實(shí)習(xí)生 龔昕冉 來源：中國青年報(bào)
(責(zé)編：王震、陳鍵)