麻省理工学院的研究人员采用新技术制造出了一种三维晶体管，其宽度仅约目前最薄商用晶体管宽度的一半。这使工程师在电脑芯片上植入更多晶体管成为可能。图为这种最小晶体管的横截面，其宽度约3纳米。
本周，在电气与电子工程师协会（IEEE）国际电子器件会议上提交的一篇论文报道说，美国麻省理工学院和科罗拉多大学的研究人员通过采用化学蚀刻技术的升级版——热原子级蚀刻（简称TALE）技术，制造了一种超小型三维晶体管，其尺寸仅约目前商用晶体管的一半。
这项研究的灵感来源于著名的“摩尔定律”。摩尔定律是由英特尔创始人之一的戈登?摩尔（Gordon Moore）于20世纪60年代提出的理论，它认为集成电路上的晶体管数量每两年就会增加一倍。为了遵循这一行业“黄金法则”，研究人员不断地尝试新方法，从而尽可能地将更多的晶体管植入计算机微芯片。当前最新的趋势是将三维晶体管进行垂直放置。通过各种努力，数以百亿计的晶体管就能最终装载在指甲盖大小的微型芯片上了。
论文的一大亮点是三维晶体管的制造工艺。通过TALE技术，研究人员可以在原子尺度上对半导体材料进行精确的改造。利用这项技术制作的三维晶体管，尽管宽度不足3纳米，但效率比商业晶体管更高。此外，研究人员还重新启用了一种可在材料上沉积原子层的微加工技术，这意味着制造技术可以在现有设备上快速集成。麻省理工学院微系统技术实验室研究生、论文第一作者卢文杰(Wenjie Lu)说：“我们认为这项工作将对现实世界产生巨大影响。根据摩尔定律的推测，晶体管的尺寸会越来越小，其制造难度会越来越高。为了设计和制造更小的晶体管，我们需要以原子级的精度操控材料。”论文作者还包括电气工程和计算机科学教授、晶体管研究小组负责人热苏斯?阿德尔?阿拉莫等。
传统的ALE技术使用等离子体和高能离子剥离材料表面的单个原子。但这会造成表面损伤。并且由于材料暴露在空气中，氧化还会导致产生其他缺陷，影响材料性能。2016年，科罗拉多大学的研究团队发明了TALE技术，其核心是“配体交换”反应。初始阶段的TALE技术还只能用于蚀刻氧化物。而在这项新研究中，研究人员通过改进TALE技术，使其可以使用与ALD相同的反应器，从而在半导体材料上工作。在工艺实施过程中，他们使用了基于铟镓砷化物的合金化半导体材料，这种材料被誉为硅的高效替代品。实验中，研究人员每次的表面移除尺寸为0.02纳米，卢称这个过程“就像剥洋葱”——对材料进行细致处理的回报是获得超高的精度。由于TALE技术与ALD非常相似，可以节约很多成本。阿拉莫说：“通过微小改进，工程师们可以将TALE技术直接集成到ALD使用的反应器中。这对工业界将非常有吸引力。”
编译：雷鑫宇
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