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湖南大学的研究是什么原理?1nm级芯片,不需要高精度光刻机?

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前几天,网上有一则消息刷屏了,那就是众多媒体报道称,湖南大学的研究团队,成功的实现了超短沟道的垂直场效应晶体管(VFET)。

这种晶体管技术,可以把晶体管做到3nm大小,而沟道长度只需要0.65nm,几乎只有一个原子的大小。

而我们知道,在以往的芯片工艺中,沟道长度代表的就是芯片制程,也就是说0.65nm的沟道长度,就意味着0.65nm的芯片工艺。



要知道国内目前的技术还是14nm,台积电还在5nm,突然湖南大学搞出一个0.65nm,确实让人挺震惊的。

更重要的是,以往的芯片制造中,芯片工艺的提升,是高度依赖光刻机的精度的,比如7nm及以下的芯片,就要求EUV光刻机。

而湖南大学的这种垂直场效应晶体管,由于排列方式的不同,并不完全依赖于高精度的光刻机,考虑到目前国内根本就买不到EUV光刻机,而国产光刻机精度还在90nm。

所以这个新闻一出来,不火爆才怪呢。当然,也有人持怀疑态度,说过去的几年,关于国产芯各种突破,各种打破垄断,最后都全是吹牛皮,所以这个水份很大,不可信。



那么这则消息是真的么?确实是真的,大家可以去湖南大学的官网上看到,同时相关的论文发表在了国际顶尖杂志《Nature Electronics》上面,中文译为《自然·电子学》



但是要说明的是,这个还只是实验室的产物,真正要走向量产,走到生产车间用于工厂批量生产,可能还得很久。

那以这种技术的原理究竟是什么?我们要说说以往的芯片构成,我们知道芯片都是由晶体管组成的,而晶体管在芯片中均是平行排列的,所以提高芯片制程,其实也是怎么缩小晶体管与晶体管之间的距离,缩小晶体管的大小,那么这就要用到高精度的光刻机。

而湖南大学团队研究的是另外一种技术,就是垂直场效应晶体管,简单的来讲,就是晶体管不是平行排列的,是垂直排列的。这种纵向的结构具有天然的短沟道特性,半导体沟道位于底电极与顶部电极之间,沟道长度仅取决于材料厚度。


平行结构的沟道长度


垂直结构的沟道长度

而湖南大学的研究人员采用了范德华(vdW)金属电极集成方法,以二硫化钼(MoS2)作为半导体沟道的薄层甚至单原子层,也就是说沟道长度,其实就是一层二硫化钼材料的厚度,所以最短达到了0.65nm。

而垂直排列的晶体管,也不需要利用到高精度光刻机,来缩短晶体管与晶体管之间的距离,搭积木式的一层一层往上垒就行了,这就是不需要高精度光刻机的原因。


垂直结构的积木,中间间隔特别小

事实上,一直以来都有科学家在研发这种垂直场效应的晶体管,湖南大学不是第一个研究的,但以往大家没有找到好的材料,所以这种晶体管垂直排列时,会受到垂直隧穿电流的影响,导致是只要在10nm以下时,就不受栅极调控,没法实现。

而这次湖大团队是以范德华(vdW)金属电极集成方法,以二硫化钼(MoS2)为材料,形成理想的范德华金属-半导体界面,才实现到了0.65nm的厚度,让这项技术变为可行。

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