在科技領(lǐng)域，很多突破都與“多”和“大”有關(guān),，但是在集成電路領(lǐng)域,，有一個(gè)部件正在不斷地往“小”的方向發(fā)展，那就是晶體管的柵極尺寸,。

如果將中央處理器稱為一臺(tái)計(jì)算機(jī)的心臟，那么芯片就是這具身體的靈魂,，幾乎決定了計(jì)算機(jī)的全部系統(tǒng)性能,。晶體管則更是芯片的核心元器件，其更小的柵極尺寸,，意味著芯片上可以集成更多的晶體管,，并帶來性能飛躍性的提升。

近日,，清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上在線發(fā)表題為《具有亞1納米柵極長(zhǎng)度的垂直硫化鉬晶體管》的論文,，在小尺寸晶體管研究方面取得重要進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了具有亞1納米柵極長(zhǎng)度且具有良好的電學(xué)性能的晶體管,。

在過去10多年間,，任天令團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于二維材料器件技術(shù)研究，從材料,、器件結(jié)構(gòu),、工藝、系統(tǒng)集成等多層次實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破,。

集成電路領(lǐng)域有一個(gè)著名定律叫“摩爾定律”,。戈登·摩爾曾經(jīng)在1965年提出，集成電路芯片上可容納的晶體管數(shù)目,，每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍,，微處理器的性能提高一倍,，或價(jià)格下降一半。

過去幾十年晶體管的柵極尺寸在摩爾定律的推動(dòng)下不斷微縮,，然而近年來,，隨著晶體管的物理尺寸進(jìn)入納米尺度，電子遷移率降低,、漏電流增大,、靜態(tài)功耗增大等問題層出不窮，使得新結(jié)構(gòu)和新材料的開發(fā)迫在眉睫,。

“目前主流工業(yè)界晶體管的柵極尺寸在12納米以上,，例如我們常用的手機(jī)。但如果晶體管關(guān)鍵尺寸可以進(jìn)一步微縮,，我們的電子產(chǎn)品就可以更便于攜帶,，功能更豐富?！比翁炝钫f,。

學(xué)術(shù)界在極短?hào)砰L(zhǎng)晶體管方面作出了探索，然而目前國(guó)際上研究團(tuán)隊(duì)的極限也僅能實(shí)現(xiàn)柵長(zhǎng)為1納米的平面硫化鉬晶體管,?！熬w管是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界生產(chǎn)芯片最基本的出發(fā)點(diǎn)，如果能把這個(gè)最小的基本單元做好的話,，毫無疑問能給一系列外延功能提供更好的支持,。”任天令告訴中青報(bào)·中青網(wǎng)記者,，進(jìn)一步突破1納米以下柵長(zhǎng)晶體管的瓶頸,，成了團(tuán)隊(duì)下決心要解決的重點(diǎn)問題。

其實(shí)早在2018年,，任天令團(tuán)隊(duì)就提出了一個(gè)想法,，希望用少層或者單層石墨烯的邊緣作為晶體管柵極來實(shí)現(xiàn)新型的晶體管。在實(shí)驗(yàn)前期,，由于石墨烯二維材料特殊的物理性質(zhì),，團(tuán)隊(duì)需要在整體器件工藝上進(jìn)一步優(yōu)化，以盡量在實(shí)驗(yàn)室條件下減少工藝流程,，增加其可靠性,。

然而這個(gè)鮮有科研團(tuán)隊(duì)涉足的領(lǐng)域，由于缺乏先前實(shí)驗(yàn)參照及預(yù)期中的不可知性,，團(tuán)隊(duì)遇到了一道道難關(guān),，哪怕是其中一個(gè)看似簡(jiǎn)單的制造工藝，都需要團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)打磨,。

“其實(shí)我們走了非常多彎路，經(jīng)歷過大大小小的失敗，實(shí)驗(yàn)到凌晨對(duì)團(tuán)隊(duì)成員而言也是家常便飯,?！比翁炝钫f。

回憶起這段跌跌撞撞的摸索經(jīng)歷,，任天令反復(fù)提起兩個(gè)詞,，“持之以恒”和“團(tuán)隊(duì)協(xié)作”。

在團(tuán)隊(duì)成員夜以繼日的努力下,，他們巧妙利用石墨烯薄膜超薄的單原子層厚度和優(yōu)異的導(dǎo)電性能作為柵極,，通過石墨烯側(cè)向電場(chǎng)來控制垂直的MoS2溝道的開關(guān)，終于實(shí)現(xiàn)最小等效物理柵長(zhǎng)為0.34納米,。團(tuán)隊(duì)成功推動(dòng)了摩爾定律進(jìn)一步發(fā)展到亞1納米級(jí)別,，同時(shí)為二維薄膜在未來集成電路的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

在這一技術(shù)突破的背后,，是一支由青年學(xué)術(shù)人員組成的團(tuán)隊(duì),，加之學(xué)術(shù)“大咖”的支持，團(tuán)隊(duì)最終推動(dòng)了微處理器領(lǐng)域跨越性的進(jìn)步,。任天令甚至開玩笑地說,，“我在這里面（歲數(shù)）是最大的，除了我之外都是年輕人,?！?/span>

“在摸索過程中，我們所有成員一直堅(jiān)信方向的正確性,，不斷在小組內(nèi)討論,、修改、完善,，才終于走通了大規(guī)模器件的制備,。”團(tuán)隊(duì)成員吳凡說,。

在任天令眼中,，這支由年輕人所組成的團(tuán)隊(duì)，擁有著科研探索中最難能可貴的一樣品質(zhì)——干勁,。

“前一個(gè)晚上才熬了一個(gè)通宵,，第二天又起來接著工作?！眻F(tuán)隊(duì)成員沈陽(yáng)便是其中一個(gè),，不同于剛進(jìn)組面對(duì)科研時(shí)的迷茫，經(jīng)過一段時(shí)間與團(tuán)隊(duì)伙伴們的共同摸索,，再加之團(tuán)隊(duì)老師的指導(dǎo),，他逐漸體會(huì)到科研的意義和樂趣,。

實(shí)驗(yàn)室中一次又一次的數(shù)據(jù)推演、實(shí)驗(yàn),、修改,，見證了團(tuán)隊(duì)一步一步迎難而上的努力，幾年來的心血終歸得到了回報(bào),，團(tuán)隊(duì)中的每一位成員都受到了極大的鼓舞,。提起這些，團(tuán)隊(duì)成員茍廣洋的言語里總是溢滿了欣喜,，“團(tuán)隊(duì)每個(gè)人都發(fā)揮出自己的優(yōu)勢(shì),，針對(duì)工藝和仿真過程中的問題提出了解決思路和方案，經(jīng)過幾年堅(jiān)持不懈的努力,，終于實(shí)現(xiàn)了目標(biāo),。”

據(jù)了解,，清華大學(xué)于2021年4月成立集成電路學(xué)院,，旨在為實(shí)現(xiàn)集成電路學(xué)科國(guó)際領(lǐng)跑及我國(guó)集成電路事業(yè)的自主創(chuàng)新發(fā)展，提供可靠人才支持,。

對(duì)于未來,，任天令表示，團(tuán)隊(duì)會(huì)針對(duì)最新的技術(shù)及社會(huì)需求,，進(jìn)一步向前推進(jìn)材料,、技術(shù)支持，使1納米以下柵長(zhǎng)晶體管能夠從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化,。他說,，“希望團(tuán)隊(duì)能夠進(jìn)一步推動(dòng)新路徑的形成，我們將來不只是在技術(shù)或研究方面,，還要在產(chǎn)業(yè)方面運(yùn)用這樣的路徑,，帶領(lǐng)我們走向國(guó)際領(lǐng)先位置?！?/span>