◎ 科技日報記者 華淩
近日，清華大學內建電路學院教授任天令團隊在小尺寸半導體研究方面取得突破，首次制備出亞1納米栅極長度的半導體，其具有良好的電學性能。相關成果發表在最新一期《自然》雜志線上版上。
亞1納米栅長半導體結構示意圖。圖檔來源：清華大學官網
半導體是晶片的核心元器件，更小的栅極尺寸能讓晶片上內建更多的半導體，并提升性能。過去幾十年，半導體的栅極尺寸在摩爾定律的推動下不斷微縮。但近年來，随着半導體的實體尺寸進入納米尺度，造成電子遷移率降低、漏電流增大、靜态功耗增大等短溝道效應越來越嚴重。是以，新結構和新材料的開發迫在眉睫。
目前主流工業界半導體的栅極尺寸在12納米以上。為進一步突破1納米以下栅長半導體的瓶頸，任天令團隊巧妙利用石墨烯薄膜超薄的單原子層厚度和優異的導電性能，将其作為栅極，通過石墨烯側向電場來控制垂直的二硫化钼（MoS2）溝道的開關，進而實作等效的實體栅長為0.34納米。
“在相當長的一段時間内，要打破這一紀錄是非常困難的。”紐約州立大學布法羅分校納米電子學科學家李華民評價道，這項新工作将栅極的尺寸極限進一步縮小到“僅一層碳原子的厚度”。那麼，對于小尺寸半導體的研究，當初如何想到采用石墨烯材料來突破瓶頸？
“單層石墨烯厚度僅0.34納米，是以采用石墨烯作為栅極，能夠實作極短的栅極尺寸。石墨烯本身是平面結構，這就要求溝道是垂直結構，要實作垂直的溝道結構是其中一個難題。另外石墨烯除了側壁能夠栅控，其表面也能栅控，是以屏蔽石墨烯表面電場也是難點，我們開發出了自氧化鋁層來對石墨烯表面電場進行屏蔽。”3月20日，任天令在接受科技日報記者采訪時表示。
随着摩爾定律的發展，半導體栅長逐漸微縮，本工作實作了亞1納米栅長的半導體。圖檔來源：清華大學官網
如何讓1納米以下栅長半導體從實驗室成果走向産業化？任天令答道：“1納米以下栅長半導體隻是一個次元的尺寸微縮，未來還需要配合溝道的微縮，而這需要借助光刻機，比如把溝道尺寸通過極紫外（EUV）光刻進一步微縮到5納米，并進一步實作超大規模的晶片。”
如果說這項研究實作世界上栅長最小半導體，推動摩爾定律進一步發展到亞1納米級别，是否意味着這也是一個新的開始，将會有新的探索——誕生更小級别的半導體？
“是的，這确實是新的開始，還将會有新的探索——誕生更小級别的半導體。”面對記者的提問，任天令肯定地回答道，“前提是能夠研發出更小原子尺寸的單層材料。目前在元素周期表上比碳原子小的材料是潛在的候選者，但需要注意，比碳原子小的這些材料目前還不存在單原子層結構，是以未來誕生更小級别的半導體難度很大。比如利用氫原子來進行栅極控制很可能是半導體栅極長度的終極尺寸，但是制備金屬氫本身就是世界性難題，雖然《科學》2017年報道了金屬氫，但是金屬氫極不穩定，且不存在單原子層結構，是以難度很大。”
那麼，在未來內建電路的應用中，這種二維薄膜将賦予相關産品怎樣與衆不同的性能？
任天令介紹說：“二維薄膜的未來內建電路将會帶來柔性、更高密度、透明的電子産品，比如目前很熱點的柔性電子螢幕，但目前的CPU不是柔性的，如果采用了二維材料，就有機會實作一個全柔性的手機，包括CPU、存儲器也可以是柔軟的。對于本工作而言，我們團隊在實作世界上栅長最小半導體基礎上，還實作了更低功耗的半導體，這就意味着未來的晶片可以更加節能。”
“這次的科研工作，屬于研究團隊經過長期積累獲得的一個成果，中間的過程充滿挑戰。這一工作是中國自主知識産權，未來我們還将繼續進行溝道微縮及大規模晶片內建等工作，為中國芯作出一份貢獻。”任天令強調。
來源：科技日報
編輯：張琦琪
稽核：朱麗
終審：何屹