第1个回答 2022-06-15
基于硅基晶体管，眼下业界主流的晶体管架构可分鳍式场效应晶体管、环绕栅极晶体管；而工业界的晶体管栅极尺寸为12纳米以上。在此背景下，芯片企业想要实现更高制程的芯片制造，提高光刻机精度和改进、优化晶体管架构是比较常见的方法。事实上，通过缩短晶体管栅极尺寸，提高晶体管数量也是提高芯片性能的可行方案。
为什么提到这个呢？当然是因为我们具备了第三种方案的技术。即通过缩短晶体管栅极尺寸，变相提高芯片性能。2022年3月12日消息，清华大学破冰行业技术瓶颈，首次实现了具有亚1纳米栅极长度的晶体管，且在此基础上具备良好的电学性能。
清华大学官网消息显示，由集成电路学院任天令教授带领的团队在小尺寸晶体管研究中获得了巨大的突破。成功实现了亚1纳米栅极长度的晶体管改造。这里简单普及一个知识，一般来说，晶体管栅极长度越短，硅基芯片架构可容纳的晶体管数量也就越高，如果有办法实现栅极长度和芯片性能的反比，也就是带电性能，那么我们完全可以降低对光刻机制程的要求。
更重要的一点来了，据清华大学官网消息显示：团队推出的亚1纳米栅极长度晶体管，具备良好的电学性能。这意味着通过缩短晶体管栅极长度降低或避免对EUV光刻机的依赖程度的方案有望实现。可能有些朋友会说，我们想到采用缩短晶体管栅极长度来提高芯片性能，国外想不到吗？答：国外能想到，但是技术、性能和电力稳定性都没有我们高。
事实上，早在2012年，日本实现了等效3纳米的平面无结构型硅基晶体管。2016年，美国实现了物理栅长1纳米的平面硫化钼晶体管。清华大学实现的亚1纳米栅极晶体管的物理栅长为0.34纳米。对比日美半导体，显然我们的精度更高一些。只是精度高了吗？当然不是！
首先让我们先分析一下日本与美国分别在2012年和2016年推出的等效3纳米、1纳米物理栅极晶体管的劣势。日本在2012年推出的等效3纳米平面无结构型硅基晶体管因架构的不成熟和晶体管性能的不稳定，导致项目最后搁置。而美国推出的物理栅长1纳米的平面硫化钼晶体管虽说有比较稳定可靠的架构支撑，但在原料的选择上却出了岔子。即采用稳定性极差的硫作为原料。
清华大学研究团队巧妙地利用现有的技术优势，将石墨烯薄膜超薄的单原子层厚度和优异的导电性能作为栅极，基于石墨烯的侧向电场来对垂直的Mo S2沟道进行开关控制，在确保性能、电场稳定性的基础上，实现了等效0.34纳米的物理栅极晶体管构造。
有意思的是，论石墨烯技术，我们可是西方的“祖师爷”。即早在2020年我们便实现了8英寸、12英寸石墨烯晶圆的商用量产。不过这倒解释了为何国外逐步放弃了对栅极长度的缩减方案，因为他们缺少成熟的原料技术。关于石墨烯，想必大伙早先也听说了许多关于该原料的报道。同等制程下的石墨烯芯片性能是硅基芯片的5~10倍。至于权威性，IEEE全球权威半导体组织给出了确认。即石墨烯材料有望成为未来延续摩尔定律的关键性原料。
回到清华大学这里。研究团队破冰成功的0.34纳米物理栅极晶体管，通过在石墨烯表面沉积金属并将其自然氧化的方式，完成了石墨烯垂直方向的电场屏蔽。这还没完，为了进一步提高晶体管的稳定性，清华团队还使用了原子层沉积的二氧化碳 铪作为栅极介质、化学气相沉积的单层二维二硫化钼薄膜作为沟道。
值得一提的是，为了实现对石墨烯边缘电场对垂直二硫化钼的有效调控，清华大学研究团队还采用了基于工艺计算机辅助设计（TCAD）。目前该研究成果已经发布在国际顶级学术期刊《自然》上。这也侧面打消了部分人对该项成果的怀疑、猜测。
总的来说，清华大学此次突破的研究成果，有望助力我们日后实现在高端芯片领域中的独立自主的目标。希望清华大学早日将这项技术推出、落地。早日实现从实验室到工厂应用的转变。
对于清华大学破冰成功的等效0.34纳米物理栅长晶体管，大伙有什么想说的呢？后续如果我们想要通过石墨烯来实现在半导体领域的持平、赶超，势必会遇到许多的难题。包括基础建设以及人才培养方面的。对此你有什么好的意见和建议呢？
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