在(zai)科技(ji)領域，很多(duo)突破都與“多(duo)”和“大”有(you)關，但是在(zai)集(ji)成電路領域，有(you)一個(ge)部件(jian)正(zheng)在(zai)不斷(duan)地往“小”的方向發展(zhan)，那就是晶體管的柵極尺寸(cun)。

   如(ru)果將中(zhong)央處理(li)器(qi)稱(cheng)為一臺計算(suan)機的心臟，那么芯片就是這具身體(ti)(ti)的靈魂(hun)，幾乎決定了計算(suan)機的全部(bu)系統性(xing)能。晶體(ti)(ti)管則更(geng)是芯片的核心元器(qi)件，其更(geng)小的柵極尺寸，意味著芯片上可以集成更(geng)多的晶體(ti)(ti)管，并帶來性(xing)能飛(fei)躍性(xing)的提(ti)升。

   近日，清華大(da)學集成電路學院任(ren)天令(ling)教(jiao)授團(tuan)隊在(zai)國際學術期刊《自然(ran)》上在(zai)線發表題為(wei)《具有(you)亞1納米柵極長(chang)度(du)的(de)垂直(zhi)硫(liu)化鉬晶(jing)(jing)體管(guan)(guan)》的(de)論(lun)文，在(zai)小尺寸晶(jing)(jing)體管(guan)(guan)研究方面取得重要(yao)進展，首次實現了具有(you)亞1納米柵極長(chang)度(du)且具有(you)良好的(de)電學性能的(de)晶(jing)(jing)體管(guan)(guan)。

   在過去10多(duo)年間，任(ren)天(tian)令團隊長期(qi)致(zhi)力于二(er)維材料器(qi)件技術研究，從(cong)材料、器(qi)件結構、工藝、系統集成等多(duo)層次實現創新突破。

   集成(cheng)電路(lu)(lu)領域有(you)一(yi)(yi)個(ge)著名定(ding)律叫“摩爾(er)定(ding)律”。戈登·摩爾(er)曾經(jing)在1965年提(ti)(ti)出，集成(cheng)電路(lu)(lu)芯片上可容納的(de)晶體管數目，每隔18-24個(ge)月(yue)便會增加一(yi)(yi)倍(bei)，微(wei)處(chu)理器的(de)性能提(ti)(ti)高一(yi)(yi)倍(bei)，或價格下(xia)降一(yi)(yi)半。

   過去幾十(shi)年晶體(ti)管的(de)(de)柵(zha)極尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)在摩爾定(ding)律的(de)(de)推動下不斷微縮，然(ran)而近年來(lai)，隨著(zhu)晶體(ti)管的(de)(de)物(wu)理尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)進入納米尺(chi)(chi)(chi)度，電子(zi)遷移率降低(di)、漏電流(liu)增大(da)、靜(jing)態功耗增大(da)等問(wen)題層出不窮(qiong)，使得新結構和新材料的(de)(de)開發迫在眉睫。

   “目前主流工業界晶體(ti)管(guan)的柵極(ji)尺寸在12納(na)米以(yi)上(shang)，例如(ru)(ru)我們常用(yong)的手機。但如(ru)(ru)果晶體(ti)管(guan)關鍵尺寸可以(yi)進一步(bu)微(wei)縮，我們的電子(zi)產品就可以(yi)更(geng)便于攜帶，功(gong)能更(geng)豐(feng)富。”任天令說。

   學術界在極短柵(zha)長(chang)晶(jing)體(ti)(ti)管方面作出(chu)了(le)探(tan)索(suo)，然而目前國際(ji)上研(yan)究團隊(dui)的(de)極限也(ye)僅能(neng)(neng)實現柵(zha)長(chang)為1納米(mi)(mi)的(de)平面硫化鉬晶(jing)體(ti)(ti)管。“晶(jing)體(ti)(ti)管是學術界和產業界生(sheng)產芯(xin)片最基本(ben)的(de)出(chu)發點(dian)，如果能(neng)(neng)把這(zhe)個最小的(de)基本(ben)單(dan)元(yuan)做好(hao)的(de)話，毫無(wu)疑問(wen)能(neng)(neng)給一(yi)系(xi)列外(wai)延功能(neng)(neng)提供更(geng)好(hao)的(de)支持。”任天令告訴中青(qing)報·中青(qing)網(wang)記者(zhe)，進一(yi)步(bu)突破(po)1納米(mi)(mi)以下柵(zha)長(chang)晶(jing)體(ti)(ti)管的(de)瓶頸(jing)，成(cheng)了(le)團隊(dui)下決心要解決的(de)重點(dian)問(wen)題(ti)。

   其實(shi)早在(zai)2018年，任(ren)天令團(tuan)隊就提(ti)出(chu)了一個想法，希望用少(shao)層(ceng)或(huo)者單層(ceng)石墨烯的邊緣作為晶體管柵極來(lai)實(shi)現(xian)新型的晶體管。在(zai)實(shi)驗前期，由于石墨烯二(er)維(wei)材(cai)料特殊的物理性質，團(tuan)隊需要在(zai)整體器件(jian)工藝上進一步優化，以(yi)盡量在(zai)實(shi)驗室條件(jian)下(xia)減少(shao)工藝流程，增加其可靠性。

   然而這(zhe)個(ge)鮮有科研團隊涉足的(de)領域，由于缺乏(fa)先前實驗參照及預(yu)期中的(de)不(bu)可知性，團隊遇到(dao)了(le)一道道難關(guan)，哪(na)怕是其中一個(ge)看似(si)簡單的(de)制造工藝，都(dou)需要團隊長時間的(de)反復打磨。

   “其實(shi)我們走(zou)了非(fei)常多彎路，經歷過大大小小的失敗，實(shi)驗到凌晨對(dui)團隊成員(yuan)而(er)言也(ye)是家常便(bian)飯。”任天令說。

   回憶起(qi)(qi)這段跌跌撞撞的摸(mo)索經歷，任天令反復提起(qi)(qi)兩個詞，“持(chi)之以恒”和“團隊協(xie)作”。

   在團隊(dui)成(cheng)員夜以繼日(ri)的(de)(de)努力下，他們(men)巧妙利用石(shi)(shi)墨烯薄膜超薄的(de)(de)單原(yuan)子(zi)層(ceng)厚度(du)和優異的(de)(de)導電性(xing)能作為柵(zha)極，通過石(shi)(shi)墨烯側向電場(chang)來控制垂(chui)直(zhi)的(de)(de)MoS2溝道的(de)(de)開(kai)關(guan)，終于實(shi)現(xian)最小等效物理柵(zha)長為0.34納(na)米(mi)。團隊(dui)成(cheng)功推動(dong)了摩(mo)爾定律(lv)進一步發展到(dao)亞1納(na)米(mi)級別，同時(shi)為二(er)維薄膜在未(wei)來集(ji)成(cheng)電路的(de)(de)應用提(ti)供了參考依(yi)據。

   在這一(yi)(yi)技術突破的(de)背(bei)后，是一(yi)(yi)支(zhi)由青年學術人(ren)員組成的(de)團隊(dui)，加之(zhi)學術“大咖”的(de)支(zhi)持，團隊(dui)最終推動了(le)微(wei)處理器(qi)領(ling)域跨(kua)越性的(de)進(jin)步。任天令甚至開(kai)玩笑(xiao)地說，“我在這里面（歲數）是最大的(de)，除了(le)我之(zhi)外都(dou)是年輕(qing)人(ren)。”

   “在摸(mo)索過程中，我們所有成(cheng)員一直堅(jian)信方(fang)向(xiang)的正確(que)性，不斷在小組內討論(lun)、修(xiu)改、完善，才終于走通了大(da)規模器(qi)件的制備。”團(tuan)隊成(cheng)員吳凡說。

   在任天(tian)令眼中(zhong)，這(zhe)支由年輕人所組成的團隊，擁有著科研探索中(zhong)最難能可貴的一(yi)樣品質——干勁。

   “前一個(ge)晚上才熬了一個(ge)通宵，第二天(tian)又起來(lai)接著工作。”團(tuan)(tuan)隊成員沈(shen)陽便是其中(zhong)一個(ge)，不同于剛進(jin)組面(mian)對科(ke)研(yan)時的(de)迷茫(mang)，經過一段時間與團(tuan)(tuan)隊伙(huo)伴(ban)們的(de)共(gong)同摸索，再加之(zhi)團(tuan)(tuan)隊老師的(de)指導，他逐漸體(ti)會到科(ke)研(yan)的(de)意義和(he)樂趣。

   實驗室中一(yi)(yi)(yi)次又一(yi)(yi)(yi)次的數據推演、實驗、修改，見(jian)證(zheng)了(le)團(tuan)隊(dui)一(yi)(yi)(yi)步一(yi)(yi)(yi)步迎(ying)難(nan)而上(shang)的努(nu)力，幾年來(lai)的心血終歸(gui)得到了(le)回報(bao)，團(tuan)隊(dui)中的每一(yi)(yi)(yi)位成(cheng)員(yuan)都受到了(le)極大的鼓舞。提起這些，團(tuan)隊(dui)成(cheng)員(yuan)茍廣洋的言(yan)語里總是(shi)溢滿(man)了(le)欣喜(xi)，“團(tuan)隊(dui)每個人都發揮(hui)出自己(ji)的優勢(shi)，針對工藝和仿真過程中的問題提出了(le)解(jie)決思路和方案，經過幾年堅持不懈的努(nu)力，終于實現了(le)目標。”

   據了解，清(qing)華大學(xue)于2021年4月成立集(ji)成電(dian)路(lu)學(xue)院，旨在(zai)為實(shi)現集(ji)成電(dian)路(lu)學(xue)科國際領跑及我國集(ji)成電(dian)路(lu)事(shi)業的(de)自主創新發展，提供(gong)可(ke)靠人才支持。

   對于未來(lai)，任天(tian)令表示，團隊(dui)(dui)會(hui)針對最新(xin)(xin)的技(ji)(ji)術及社會(hui)需求，進一步(bu)向前推進材(cai)料、技(ji)(ji)術支持，使1納米以(yi)下柵長晶體(ti)管(guan)能夠(gou)(gou)從實驗室(shi)走(zou)向產業化。他說，“希望團隊(dui)(dui)能夠(gou)(gou)進一步(bu)推動新(xin)(xin)路(lu)徑(jing)的形成，我們將(jiang)來(lai)不只(zhi)是在技(ji)(ji)術或研究(jiu)方面，還要在產業方面運用這樣的路(lu)徑(jing)，帶領(ling)我們走(zou)向國(guo)際領(ling)先位置。”

  中(zhong)青(qing)報(bao)·中(zhong)青(qing)網記(ji)者 葉雨(yu)婷(ting) 實習生 龔昕冉 來源(yuan)：中(zhong)國(guo)青(qing)年報(bao)

                     ;                                                                                                                                                      (責編：王(wang)震(zhen)、陳鍵)