機器之心報道
機器之心編輯部
小到半導體栅極開關時等效尺寸都不一樣了。
從 20 世紀 50 年代內建電路問世以來，矽半導體像摩爾定律預測的那樣逐漸縮小。微晶片上的半導體數量越來越多，計算能力也越來越高。
然而，近年來，半導體的尺寸正在迅速接近極限。栅極長度很快就将無法再縮小，摩爾定律即将終結的「唱衰」之音在晶片行業泛起。
在所有半導體中，電流從源極流向漏極，這種電子流動由栅極控制，栅極根據施加的電壓打開和關閉。是以栅極的長度是半導體尺寸的關鍵标志。在 5 nm 以下，由于隧穿效應（一種量子實體現象），矽不再能夠控制電子從源極到漏極的流動。
最近，科學家們開始探索用于下一代電子産品的二維材料，包括由單層碳原子組成的石墨烯，以及兩層硫原子中間夾一層钼原子組成的二硫化钼（MoS2）。例如，在 2016 年，科學家們使用碳納米管和二硫化钼制造了一個栅極長度僅為 1 nm 的半導體，但這還不是極限。
近日，清華大學內建電路學院任天令教授團隊在小尺寸半導體研究方面取得重大突破，首次實作了具有亞 1 納米栅極長度的半導體，并具有良好的電學性能。這項研究以《具有亞 1 納米栅極長度的垂直硫化钼半導體（Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths）》為題，刊登于最新一期《Nature》雜志。
論文通訊作者為清華大學內建電路學院任天令教授和田禾副教授，共同第一作者包括清華大學內建電路學院 2018 級博士生吳凡、田禾副教授、2019 級博士生沈陽，其他參加研究的作者包括清華大學內建電路學院 2020 級碩士生侯展、2018 級碩士生任傑、2022 級博士生苟廣洋、楊轶副教授和華東師範大學通信與電子工程學院孫亞賓副教授。
「我們已經實作了世界上栅極長度最小的半導體，」任天令表示。這種半導體的栅極長度僅約三分之一納米寬，大約相當于單層碳原子的厚度。
任天令教授。
要想了解這種新裝置，你可以想象樓梯的兩個台階，較高的台階頂部是源極，較低台階的頂部是漏極，兩者均由钛钯金屬觸點制成。樓梯的截面作為連接配接源極和漏極的電子溝道，它由二硫化钼制成。該截面之下是一層薄薄的電絕緣二氧化铪。
圖 1：亞 1 納米栅長半導體結構示意圖。亮點代表半導體的栅電極。
在更高的那級台階内部，是一個多層三明治結構。底層是一片石墨烯，由單層碳原子組成；在它之上是一塊覆寫着氧化鋁的鋁塊，使石墨烯和二硫化钼幾乎完全分離，除了在更高台階的垂直側有一個薄薄的間隙。較高和較低的兩級台階都位于 5cm 矽晶片的二氧化矽層上。
研究團隊巧妙地利用石墨烯薄膜超薄的單原子層厚度和優異的導電性能作為栅極，通過石墨烯側向電場來控制垂直的二硫化钼溝道的開關，進而實作等效的實體栅長為 0.34nm，與石墨烯層寬度相同。
通過在石墨烯表面沉積金屬鋁并自然氧化的方式，該研究完成了對石墨烯垂直方向電場的屏蔽，并使用原子層沉積的二氧化铪作為栅極媒體、化學氣相沉積的單層二維二硫化钼薄膜作為溝道。具體器件結構、工藝流程、完成實物圖如下圖所示：
圖 2：亞 1 納米栅長半導體器件工藝流程，示意圖，表征圖以及實物圖。
「在未來，人們幾乎不可能制造小于 0.34nm 的栅極長度，」任天令教授表示。「這可能是摩爾定律的最後一個節點了。」
2021 年，另一個研究小組公布了他們研究的一種垂直半導體，它使用二硫化钼制成，栅長為 0.65 nm。但清華的這項新工作将栅極的尺寸限制進一步推至「僅一層碳原子的厚度」，紐約州立大學布法羅分校的納米電子學科學家 Huamin Li 說。在相當長的一段時間内，要打破這一紀錄是很困難的。
在半導體中，當施加電場時，栅極開和關的狀态通常存在長度上的差異，但在更大的範圍内，這種效應通常并不明顯。在這個新裝置中，當有電壓施加到栅極上使其切換到關閉狀态時，栅極的等效長度變成了 4.54 納米，這一差異可以證明是一個優勢。
「在關閉狀态下，具有較高電阻的長溝道将有助于防止洩漏電流，」Li 說，「相反，在導通狀态下，具有較小電阻的較短溝道将提高導通狀态下的電流密度。」
這項工作推動了摩爾定律進一步發展到亞 1 納米級别，同時為二維薄膜在未來內建電路的應用提供了參考依據。
未來，清華的研究人員計劃用他們的新型半導體創造更大規模的電路。任天令說：「下一個目标是制造 1-bit CPU。」不過，這個目标也充滿挑戰，其中一個可能的挑戰是制造更高品質、更大面積的二硫化钼，以及這種材料目前居高不下的成本。
總而言之，「這項原型工作是繼 FinFET 技術的發展之後，人類探索半導體垂直架構的新嘗試，」Li 說，「希望這将激發更多的創造性想法，以充分探索 2D 材料的潛力，并将摩爾定律推廣到高性能節能納米電子領域。」
參考連結：
https://spectrum.ieee.org/smallest-transistor-one-carbon-atom
https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/92075.htm
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