在科技領域，很(hen)多突破都與“多”和“大”有關，但是(shi)在集成(cheng)電(dian)路領域，有一(yi)個(ge)部件正在不斷(duan)地往(wang)“小”的方向(xiang)發展，那就(jiu)是(shi)晶體管的柵極尺寸。
如果將中央處理器(qi)稱為一臺(tai)計(ji)算機(ji)的(de)(de)(de)心臟(zang)，那么芯(xin)片(pian)就是(shi)這具身體(ti)的(de)(de)(de)靈魂，幾乎決定了計(ji)算機(ji)的(de)(de)(de)全部系統性(xing)(xing)能。晶體(ti)管(guan)則更是(shi)芯(xin)片(pian)的(de)(de)(de)核心元器(qi)件，其更小(xiao)的(de)(de)(de)柵(zha)極尺寸，意味著芯(xin)片(pian)上可(ke)以集成更多(duo)的(de)(de)(de)晶體(ti)管(guan)，并帶(dai)來性(xing)(xing)能飛躍性(xing)(xing)的(de)(de)(de)提升。
近日，清華大(da)學集成電路學院任天令(ling)教授團隊在國際學術期刊《自然》上在線發表題為《具有亞(ya)1納(na)米(mi)柵(zha)極(ji)(ji)長(chang)度的垂直硫化(hua)鉬晶(jing)體管》的論文，在小尺(chi)寸晶(jing)體管研究方(fang)面取得(de)重要進展(zhan)，首次實現了具有亞(ya)1納(na)米(mi)柵(zha)極(ji)(ji)長(chang)度且具有良(liang)好(hao)的電學性(xing)能的晶(jing)體管。
在過去10多年間，任天(tian)令團(tuan)隊(dui)長(chang)期(qi)致(zhi)力于二維材料(liao)器(qi)件技(ji)術研(yan)究(jiu)，從材料(liao)、器(qi)件結構(gou)、工藝(yi)、系統集成等多層次實現(xian)創(chuang)新突破。
集(ji)成電(dian)路(lu)領域有(you)一個著名定律(lv)叫“摩爾定律(lv)”。戈(ge)登(deng)·摩爾曾經在1965年(nian)提出，集(ji)成電(dian)路(lu)芯(xin)片上可容(rong)納的(de)晶(jing)體管數目，每(mei)隔18-24個月便(bian)會增加一倍(bei)，微(wei)處理器(qi)的(de)性能提高一倍(bei)，或(huo)價格(ge)下降一半。
過去幾(ji)十年晶體管(guan)的(de)(de)柵極尺(chi)寸在摩爾定律的(de)(de)推(tui)動下不斷微縮，然而(er)近年來，隨著晶體管(guan)的(de)(de)物理(li)尺(chi)寸進入納米尺(chi)度，電(dian)子遷移率降低、漏(lou)電(dian)流(liu)增(zeng)大、靜(jing)態功(gong)耗(hao)增(zeng)大等(deng)問題層出(chu)不窮，使得(de)新結構和新材料的(de)(de)開發迫在眉睫。
“目前(qian)主流工業界晶體管的柵極尺寸在12納米以(yi)上，例如我們常用的手機(ji)。但如果晶體管關(guan)鍵(jian)尺寸可(ke)以(yi)進一步微縮，我們的電(dian)子(zi)產(chan)品就可(ke)以(yi)更便于攜帶，功(gong)能更豐富。”任天(tian)令說。
學術(shu)界在極短柵長(chang)晶(jing)體管(guan)方面(mian)(mian)作出了探索，然而目前國際(ji)上研(yan)究團隊(dui)(dui)的(de)極限也僅能(neng)實現柵長(chang)為1納米(mi)的(de)平面(mian)(mian)硫化鉬晶(jing)體管(guan)。“晶(jing)體管(guan)是學術(shu)界和產業界生產芯(xin)片最(zui)基(ji)本(ben)(ben)的(de)出發點(dian)，如果(guo)能(neng)把這個最(zui)小的(de)基(ji)本(ben)(ben)單元做好的(de)話，毫(hao)無疑問能(neng)給(gei)一系列(lie)外延功能(neng)提(ti)供更(geng)好的(de)支持。”任(ren)天令告(gao)訴(su)中青報·中青網記者，進一步突破1納米(mi)以下(xia)柵長(chang)晶(jing)體管(guan)的(de)瓶(ping)頸，成了團隊(dui)(dui)下(xia)決心要解決的(de)重點(dian)問題。
其實(shi)早(zao)在(zai)(zai)2018年，任天(tian)令團(tuan)隊就提出(chu)了一個想法(fa)，希望用少(shao)層或者單層石(shi)墨烯(xi)的(de)邊緣作為晶體管(guan)柵(zha)極來實(shi)現新型的(de)晶體管(guan)。在(zai)(zai)實(shi)驗(yan)前期(qi)，由(you)于(yu)石(shi)墨烯(xi)二(er)維材料特殊的(de)物理性質，團(tuan)隊需(xu)要在(zai)(zai)整(zheng)體器件工(gong)藝(yi)上進一步優(you)化，以盡量在(zai)(zai)實(shi)驗(yan)室條件下減少(shao)工(gong)藝(yi)流程，增加其可靠性。
然而(er)這個鮮有(you)科研團隊(dui)涉足(zu)的(de)(de)(de)領域，由(you)于缺乏先前實驗參照及預期中的(de)(de)(de)不可知(zhi)性，團隊(dui)遇(yu)到(dao)了一道道難關(guan)，哪怕是其中一個看似簡單(dan)的(de)(de)(de)制造(zao)工藝，都需要(yao)團隊(dui)長時間的(de)(de)(de)反復打磨(mo)。
“其實我(wo)們走了非(fei)常多彎路，經歷過大(da)(da)大(da)(da)小小的失(shi)敗，實驗到(dao)凌(ling)晨對團隊成員而言也是家常便飯(fan)。”任天令說。
回憶起(qi)這(zhe)段(duan)跌跌撞(zhuang)撞(zhuang)的摸(mo)索(suo)經歷，任天令(ling)反復提(ti)起(qi)兩(liang)個詞(ci)，“持之(zhi)以恒”和“團隊協(xie)作”。
在團隊成員(yuan)夜以繼日的(de)(de)努力下(xia)，他們(men)巧妙利用石墨(mo)烯薄膜超(chao)薄的(de)(de)單原子層厚度和優異的(de)(de)導(dao)電(dian)性(xing)能作為柵極，通過石墨(mo)烯側向電(dian)場來控制垂直的(de)(de)MoS2溝道(dao)的(de)(de)開關，終(zhong)于實現最小等效物(wu)理(li)柵長為0.34納米。團隊成功(gong)推(tui)動了摩爾定(ding)律進一(yi)步發(fa)展到亞1納米級(ji)別，同時為二維薄膜在未來集成電(dian)路的(de)(de)應(ying)用提供了參考(kao)依據。
在(zai)這一技(ji)術(shu)突破(po)的(de)(de)背后，是(shi)一支由青年學術(shu)人員組成的(de)(de)團(tuan)隊(dui)，加之(zhi)學術(shu)“大咖”的(de)(de)支持，團(tuan)隊(dui)最終推動了微處理(li)器領(ling)域(yu)跨越性(xing)的(de)(de)進步。任天令甚至開玩笑地說，“我在(zai)這里(li)面（歲數）是(shi)最大的(de)(de)，除了我之(zhi)外都是(shi)年輕人。”
“在摸索過程(cheng)中，我們所有成員(yuan)一直堅信方向(xiang)的(de)正確性，不斷在小組(zu)內討論、修改、完善，才終于走(zou)通了大規模器件的(de)制備。”團隊成員(yuan)吳(wu)凡說。
在任天令眼(yan)中，這支由(you)年輕人所(suo)組(zu)成的團(tuan)隊，擁(yong)有著(zhu)科研探索中最難能可(ke)貴(gui)的一樣品質——干(gan)勁。
“前一個(ge)晚上(shang)才熬了一個(ge)通宵，第(di)二天(tian)又起來接著工(gong)作。”團隊成員(yuan)沈陽便是其中一個(ge)，不同(tong)于(yu)剛進組面對科(ke)研時(shi)(shi)的迷(mi)茫，經過一段時(shi)(shi)間(jian)與團隊伙伴們(men)的共(gong)同(tong)摸索，再加(jia)之團隊老師的指(zhi)導，他逐(zhu)漸體會到科(ke)研的意義和樂趣。
實驗(yan)室中一(yi)次又一(yi)次的(de)數據推(tui)演、實驗(yan)、修改，見證(zheng)了(le)團(tuan)隊一(yi)步(bu)一(yi)步(bu)迎(ying)難而(er)上(shang)的(de)努力，幾(ji)年(nian)來(lai)的(de)心血終歸(gui)得到了(le)回報，團(tuan)隊中的(de)每一(yi)位成員都受(shou)到了(le)極大(da)的(de)鼓舞。提(ti)起這些，團(tuan)隊成員茍廣洋的(de)言(yan)語(yu)里總是溢(yi)滿了(le)欣喜，“團(tuan)隊每個人都發(fa)揮(hui)出(chu)自(zi)己的(de)優勢，針對工藝和(he)仿真(zhen)過程中的(de)問(wen)題提(ti)出(chu)了(le)解決思路和(he)方案，經過幾(ji)年(nian)堅持不懈的(de)努力，終于實現了(le)目標。”
據了解，清華大學(xue)于(yu)2021年(nian)4月(yue)成(cheng)(cheng)立集成(cheng)(cheng)電路學(xue)院，旨在為實現集成(cheng)(cheng)電路學(xue)科(ke)國(guo)際(ji)領跑及我國(guo)集成(cheng)(cheng)電路事業的自主創新發展，提(ti)供可靠人才支持。
對于未來，任天令表示，團隊會針對最新(xin)的(de)技術及社(she)會需求，進(jin)(jin)一步(bu)向前(qian)推(tui)進(jin)(jin)材料、技術支持，使(shi)1納米以下柵長晶體管能夠從(cong)實(shi)驗室走向產(chan)業化。他說，“希(xi)望團隊能夠進(jin)(jin)一步(bu)推(tui)動新(xin)路徑(jing)的(de)形成，我(wo)們將(jiang)來不只(zhi)是在技術或研(yan)究方面，還要在產(chan)業方面運(yun)用這樣(yang)的(de)路徑(jing)，帶領我(wo)們走向國際領先位置。”
中(zhong)青(qing)報·中(zhong)青(qing)網記者 葉雨婷 實習生 龔昕(xin)冉 來源：中(zhong)國青(qing)年報
(責(ze)編：王震、陳(chen)鍵(jian))