成立不到一年的清華大學(xué)集成電路學(xué)院取得芯片研發(fā)新突破

　　清華團(tuán)隊首次實現(xiàn)亞1納米柵長晶體管

　　本報訊(記者 雷嘉)近日，清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊首次實現(xiàn)了具有亞1納米柵極長度的晶體管，并具有良好的電學(xué)性能。這一成果3月10日以“具有亞1納米柵極長度的垂直硫化鉬晶體管”為題，在線發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》上。這是成立不到一年的清華大學(xué)集成電路學(xué)院在芯片小尺寸晶體管研發(fā)方面取得的一項重要進(jìn)展。

　　晶體管是芯片的核心元器件，更小的柵極尺寸可以使得芯片上集成更多的晶體管，并帶來性能的提升。英特爾公司創(chuàng)始人之一戈登·摩爾1965年曾提出：“集成電路芯片上可容納的晶體管數(shù)目，每隔18至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。”這在集成電路領(lǐng)域被稱為“摩爾定律”。過去幾十年間，晶體管的柵極尺寸在摩爾定律的推動下不斷微縮。但近年來，隨著晶體管的物理尺寸進(jìn)入納米尺度，造成電子遷移率降低、漏電流增大、靜態(tài)功耗增大等短溝道效應(yīng)越來越嚴(yán)重，使得新結(jié)構(gòu)和新材料的開發(fā)迫在眉睫，多國學(xué)術(shù)界在極短柵長晶體管方面不斷做出探索。目前主流工業(yè)界晶體管的柵極尺寸在12納米以上。

　　為進(jìn)一步突破1納米以下柵長晶體管的瓶頸，任天令研究團(tuán)隊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二硫化鉬溝道的開關(guān)，從而實現(xiàn)等效的物理柵長為0.34納米。通過在石墨烯表面沉積金屬鋁并自然氧化的方式，完成了對石墨烯垂直方向電場的屏蔽。再使用原子層沉積的二氧化鉿作為柵極介質(zhì)、化學(xué)氣相沉積的單層二維二硫化鉬薄膜作為溝道。

　　基于工藝計算機輔助設(shè)計的仿真結(jié)果，進(jìn)一步表明了石墨烯邊緣電場對垂直二硫化鉬溝道的有效調(diào)控，預(yù)測了在同時縮短溝道長度條件下晶體管的電學(xué)性能情況。這項工作推動了摩爾定律進(jìn)一步發(fā)展到亞1納米級別，同時為二維薄膜在未來集成電路的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

　　對于應(yīng)用前景，任天令教授表示，1納米以下柵長晶體管只是一個維度的尺寸微縮，未來還需要配合溝道的微縮，例如把溝道尺寸通過極紫外光刻微縮到5納米，以進(jìn)一步實現(xiàn)超大規(guī)模的芯片，使1納米以下柵長晶體管能夠從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化。

　　清華大學(xué)集成電路學(xué)院成立于去年4月，彼時國務(wù)院學(xué)位委員會剛宣布設(shè)置“集成電路科學(xué)與工程”一級學(xué)科。面向這一將深刻影響國家經(jīng)濟發(fā)展、社會進(jìn)步和國家安全的國家重大戰(zhàn)略需求，清華成立集成電路學(xué)院，瞄準(zhǔn)的是集成電路“卡脖子”難題，旨在突破關(guān)鍵核心技術(shù)，培養(yǎng)國家急需人才，支撐我國集成電路事業(yè)的自主創(chuàng)新發(fā)展。