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拯救摩尔定律?世界最小1nm晶体管诞生

导读: 劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员使用新材料,将晶体管的制程从 14 纳米缩减到了 1 纳米,相关论文已在《科学》发表。这一研究展示了目前世界上最小的晶体管,推翻了此前认为无法制作出小于 5 纳米栅极的看法。

  OFweek电子工程网讯 劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员使用新材料,将晶体管的制程从 14 纳米缩减到了 1 纳米,相关论文已在《科学》发表。这一研究展示了目前世界上最小的晶体管,推翻了此前认为无法制作出小于 5 纳米栅极的看法。但是,这仍然只是一种概念证明,距离切实可用的产品还有很长的距离。摩尔定律仍然面临终结的威胁,但未来半导体厂商可以使用类似技术增强芯片的计算力。

  过去十年,工程师一直在挑战缩小集成电路元件尺寸的极限。尽管他们知道物理定律为传统半导体的晶体管栅极线宽定了一个5纳米的阈值,大约是现在市面上的高端20纳米栅极晶体管的1/4。现在,这个定律可能要被打破,或至少受到挑战。

  使用纳米碳管和 MoS2,将晶体管制程缩减到 1 纳米

  劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)由 Ali Javey 带领的研究团队就正在挑战该物理定律,他们开发了一种新型晶体管,其栅极线宽只有1纳米。作为对比,人类的头发丝宽度大约是50000纳米。

  “我们造出了目前为止已知的最小晶体管。”Javey说,他是伯克利实验室材料科学部电子材料项目的主要负责人。“栅极线宽可以定义晶体管的尺寸。我们展示的1纳米栅极晶体管,表明利用适当的材料,在缩小电子元件尺寸上存在更大的空间。”

  这项技术的关键是使用碳纳米管和二硫化钼(MoS2),后者是一种汽车配件店常见的发动机润滑剂。MoS2是一族广泛用于LED管、激光、纳米级晶体管、太阳能电池等的具有很大潜力的材料。

  拯救摩尔定律?世界最小1nm晶体管诞生

  二硫化钼通道和1纳米碳纳米管栅极的示意图。图源:Sujay Desai/Berbeley Lab

  研究结果发表于10月7日号《科学》杂志。英特尔联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)曾预测,晶体管的集成电路密度每两年将翻一番(摩尔定律),让笔记本、手机、电视和其他电子产品的性能提高。

  这项研究的第一作者 Sujay Desai 表示:“半导体行业一直认为,任何线宽小于5纳米的栅极都无法工作,因此小于5纳米的栅极甚至没有被考虑过。我们的研究证明了,小于5纳米栅极的可能性。用MoS2取代原来的硅材料,我们可以制造出线宽只有1纳米的栅极,并使其起到开关作用。”

  让晶体管突破 5 纳米栅极限制

  晶体管包含三极:源极、漏极和栅极。电流从源极流到漏极,流动过程被栅极控制,栅极会根据施加的电压选择开或者关。

  硅和 MoS2 都有一个晶体晶格结构,但是与 MoS2 相比,从硅中流过的电子会更加轻盈,遇到的阻碍也相对更少。当栅极在 5 纳米以上时,这是一个好处。但是,在这个长度之下,就会发生一个量子力学中的现象,叫隧道效应,进而导致电子从源极流向漏极的过程中,栅极电阻不能防止电流的强行通过。

  拯救摩尔定律?世界最小1nm晶体管诞生

  晶体管切面的透射电子显微镜图像。图片显示了1纳米的碳纳米管栅极,以及被当做绝缘体的二氧化锆所分隔的二硫化钼半导体。图片来自: Qingxiao Wang,德州大学。

  “这意味着我们不能关闭这一晶体管”,Desai 说,“电流是失去控制的”。由于通过MoS2 的电流更“重”,它们的流动可以通过更短的栅极长度进行控制。MoS2 还可以缩减到原子级别的薄片,大约 0.65 纳米厚。此外,它还拥有更低的介电常数,这一指标反映的是材料储存电场中能源的能力。这两个属性,加上电子质量,有助于在栅极的长度减小到1纳米时,提升对晶体管内电流流动的控制。

  一旦他们选定MoS2 作为半导体材料,下一步就应该是建造栅极。结果证明,建造 1 纳米的结构是一个不小的成就。传统的光刻技术在这一比例下不能发挥良好作用,所以研究者转向了碳纳米管,这种空心圆柱管的直径同样小到 1 纳米。

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责任编辑:Trista
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