北京大学邱晨光与彭练矛团队利用单壁碳纳米管作为极小尺寸栅极研制出可在0.6V超低电压下工作的铁电晶体管。
该成果发表于 Science 子刊《科学·进展》(Science Advances)。
这项技术将物理栅长缩减到一纳米极限尺度创造了国际上迄今尺寸最小且功耗最低的铁电晶体管。
逻辑运算与数据存储终于能够在相同的极低电压下同频共振为高性能人工智能『芯片』扫清了底层架构障碍。
逻辑『芯片』与存储『芯片』的电压鸿沟
集成电路 IC 世界里住着两位分工明确的核心成员。一位是负责运算与控制的逻辑单元。另一位是负责记录与保存数据仓库的存储单元。
这两大底层元器件占据了整个『半导体』市场规模的七成以上。
伴随摩尔定律的步伐逻辑晶体管的尺寸不断缩小。如今先进工艺已经量产两纳米节点『芯片』其 CMOS (互补金属氧化物『半导体』) 逻辑晶体管的工作电压低至0.7V。
非易失性存储器的发展步伐却显得十分沉重。主流的商用闪存 Flash 技术很难微缩到如此精细的先进节点。最棘手的问题在于闪存需要在5V以上的高压下才能完成数据的擦除与写入。
被学术界寄予厚望的铁电场效应晶体管 FeFET (铁电场效应晶体管) 表现出非易失性无损读取和极快读写速度的优势。
现有的常规铁电晶体管依然无法摆脱平板铁电体矫顽电压的物理束缚。它们的操作电压通常被卡在1.5V以上。
逻辑电路运行在0.7V低压区而存储电路却徘徊在1.5V甚至5V的高压区。这种电压的不匹配使得『芯片』内部必须额外集成升降压电路来完成信号转换。
额外增加的电荷泵电路不仅挤占了宝贵的『芯片』面积还引入了严重的数据传输延迟。
如同两条水压完全不同的管道在交汇处必须安装水泵才能让水流通过。在极其依赖海量数据频繁吞吐的人工智能底层架构中这种节点之间的数据阻滞严重拖累了整体算力。
解决逻辑与存储之间的电压鸿沟成为攻克冯诺依曼架构瓶颈的核心难题。
逻辑核心与存储器之间的电压不匹配。现有的电荷泵电路在0.7V逻辑电路与高压存储单元之间转换电压增加了能量损耗与时间延迟。将存储器操作电压降低至0.7V以下是未来数据高效传输的关键。
纳米栅极汇聚电场的物理奇迹
想要让存储器在极低电压下工作必须有足够强的电场去翻转铁电材料的极化方向。
传统晶体管采用平板结构的栅极使得电压在绝缘层和铁电层中均匀分布。这种均匀分布使得外部施加的电压很难集中导致整体功耗居高不下。
研究团队巧妙地从真空电子器件的尖端场发射原理中汲取了灵感。一根极细的针尖在同样的压力下能产生比平底大得多的局部压强。电子世界同样遵循类似的法则。
团队选用了一根直径仅为一纳米的金属型单壁碳纳米管 m-SWCNT (金属型单壁碳纳米管) 作为极小尺寸的栅极。这根碳纳米管犹如一根微观避雷针将周围的电场极度压缩并汇聚在它的尖端周围。这被称为纳米栅极电场增强机理。
在这种极限尺寸下即便外部只施加0.6V的超低电压碳纳米管尖端周围也能激发出极高的局域电场。
局域电场强度可达每厘米两百七十万伏特彻底超越了材料原本所需的临界矫顽电场。铁电极化翻转在这个极其局域的空间内轻盈地完成了。
计算机辅助技术设计 TCAD (计算机辅助技术设计) 模拟清晰再现了这一物理奇迹。
一纳米栅极晶体管在零点六伏偏置下铁电层内部形成了高度局域化的强电场。相比之下传统平板栅极晶体管在相同电压下产生的电场十分微弱且均匀根本无法完成数据的写入。
图为纳米栅极与普通栅极铁电晶体管的理论模拟。一纳米栅极在零点六伏偏置下能够在铁电层中激发出极强的局域电场而普通栅极仅能产生微弱均匀电场。模拟结果证明这种电场增强效应有效降低了器件工作电压并产生明显记忆窗口。
二维材料堆叠构筑极限微缩器件
为了完美承载这种纳米栅极效应团队精心挑选并堆叠了多种二维纳米材料构建出 MFMIS (金属铁电金属绝缘体『半导体』) 结构体系。每一层材料都各司其职发挥着不可替代的作用。
底层的『半导体』沟道采用了二硫化钼 MoS2 (二硫化钼) 材料。绝缘介电层使用了六方氮化硼 h-BN (六方氮化硼) 负责隔绝漏电流并提供完美的无悬挂键界面。紧贴其上的是作为浮栅的多层石墨烯 Gr (石墨烯) 它可以有效匀化电场分布。
作为数据记忆核心的铁电层采用了二硫代磷酸铜铟 CIPS (二硫代磷酸铜铟) 材料。最上方则是那根改变游戏规则的一纳米直径碳纳米管栅极。这种全范德华材料的堆叠极大地降低了界面电荷陷阱的干扰。
从热力学的角度来看铁电材料的极化状态转换遵循朗道金兹堡德文希尔理论。极化方向的翻转需要跨越一个吉布斯自由能的势垒。在没有纳米栅极增强效应时零点六伏电压提供的能量根本不足以让系统跨越这个双势阱的能量屏障。
引入纳米栅极增强效应后极度聚焦的局域电场彻底改变了能量地貌。原有的双势阱能量势垒被压低系统只需极少的能量就能顺滑地滑向另一个极化状态。铁电晶体管的设计原则在这里发生了奇妙的反转尺寸越小聚焦越好存储性能反而越强。
传统逻辑微电子器件在微缩至几纳米时往往会饱受短沟道效应带来的漏电困扰。铁电存储器利用极小栅极产生的空间电场汇聚效应对抗了这种尺寸微缩的物理限制。这一发现为未来亚纳米节点的『芯片』设计打开了全新的视野。
通过横截面透射电子显微镜🔬和扫描电子显微镜🔬确认了全范德华材料异质结的完美堆叠。利用纳米尖端电场增强效应有效修正了吉布斯自由能地貌使得低压翻转成为可能。
刷新存储能耗与速度的世界纪录
除了惊艳的零点六伏超低工作电压该器件在能耗与速度上的表现同样卓越。
电压效率这个衡量施加电压被有效利用程度的指标在这款器件上高达百分之一百二十五。这项数据是同类铁电晶体管报道中绝无仅有的最高值远超常规器件百分之五十左右的水平。
强烈的铁电氧化物『半导体』电容耦合让电压效率逼近理论极限。纳米针尖的场聚焦效应紧接着在这个基础上再次将效率向上推升彻底打破了常规物理限制。这种巧夺天工的设计思路从根本上消灭了多余的能量损耗。
极薄铁电层结合纳米栅极使得操作电压大幅低于常规矫顽电压效率打破理论极限并展现出优秀的长期数据保持与循环读写能力。
在测试极其严苛的存储速度时器件展现出惊人的爆发力。它能在低至1.6纳秒的时间内完成数据的编程与写入操作。这个速度比其他基于二维铁电材料的存储器快了整整三个数量级足以与最先进的铪基铁电晶体管并驾齐驱。
极低的操作电压带来了不可思议的低能耗优势。
该铁电晶体管的开关翻转能耗仅为0.45 fJ/μm。这一指标领先了国际上已有报道的先进铁电存储器整整一个数量级使得『芯片』在高频运转时保持极低的热量产生。
同时器件在记忆状态下具备高达两百万倍的开关电流比。
经历上万次的编程与擦除循环测试以及长时间的数据保持测试其性能没有出现丝毫衰退的迹象。高速度低功耗高稳定性的兼得为海量数据频繁交互的人工智能任务奠定了极其坚实的物理基础。
纳米栅铁电晶体管操作速度及与国际主流器件的基准对比显示：器件在1.6纳秒的超短脉冲下仍能完成读写工作电压降至所有现有场效应管存储器最低值且功耗遥遥领先同类器件。
这项技术突破证明了纳米栅极电场增强机理在广泛铁电材料体系中的普适性。
未来借助原子层沉积等标准『芯片』制造工艺这种微小而强大的结构完全有望融入现有的商业硅基『芯片』生产线。
这套具有完全自主知识产权的新型结构体系，已率先申请兼容业界NAND结构和嵌入式SOC架构的关联专利集合，助力我国在新型存储『芯片』和人工智能底层硬件的竞争中占据主动权。
参考资料：
https://ele.pku.edu.cn/info/1111/4985.htm
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea5020
