导读
复旦大学微电子学院周鹏、张卫教授团队与曾晓洋教授团队、计算机学院姜育刚教授紧密合作实现了电路逻辑架构从0到1的原始创新，发现了新材料在集成电路中的更优应用方案，解决了如何用新材料、新原理和新架构继续延展摩尔定律的难题。相关工作以”小尺寸晶体管架构在可光控逻辑和原位存储器中的应用 “（Small footprint transistor architecture for photo-switching logic and in-situ memory）’为题在2019年5月21日的《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）期刊在线发表。
据了解，目前晶体管的主要工作原理是通过场电压控制半导体与介质界面的沟道电流通断形成开关。但随着晶体管物理尺寸的不断微缩，各种不可避免的负面效应限制了集成电路发展。因此在后摩尔时代对新材料、新器件、新架构的要求变得尤为迫切。其中由单层或少层原子构成的原子晶体的出现为摩尔定律的继续延展带来了新希望。人类使用材料的本征属性来改造自然界，例如使用钢铁制造轮船、使用硅晶体制造现在的芯片。但是，迄今的原子晶体电子器件研究工作仍然是用新材料模仿旧架构，无法真正发挥其优异的物理本质特性。
该变革性研究充分发挥了原子晶体硫化钼的超薄、表面无悬挂键等特性，采用与硅工艺兼容的双栅作为逻辑输入端，通过对创新引入的双导电通道控制在单晶体管上实现了逻辑运算‘与’和‘或’。‘与’和‘或’是构成计算系统的最基本逻辑单元。相比较需要通过两个独立晶体管才能实现逻辑功能的传统体材料体系，该工作在逻辑门水平上缩小了50%的面积。本研究开拓了二维材料集成电路应用的新世界，真正从材料本质优势出发设计新器件，实现了逻辑结构上的革新。同时研究中还发现了可层数调控的晶体管逻辑特性，并提供光切换逻辑功能的选项，丰富了电子器件研究领域。该架构可以通过材料堆叠轻松扩展实现逻辑运算结果原位存储，通过器件级存算一体路径破解数据传输阻塞瓶颈问题，突破现有逻辑系统中冯诺依曼架构限制。该架构对原子晶体材料具有通用性，不仅在工作中已经验证的硫化钼中可以实现，其它任何具有原子晶体属性的材料均可利用此架构实现可调的逻辑功能。
复旦大学微电子学院博士研究生刘春森和指导教师周鹏教授为共同第一作者，张卫教授和周鹏教授为通讯作者，复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室为唯一单位。该项工作得到了国家自然科学基金委优秀青年项目和“集成电路3~5纳米节点器件基础问题研究”应急管理项目资助。
随着晶体管不断缩小特征尺寸，集成电路的性能得以持续提升。然而在超小器件尺寸下，硅材料的物理极限导致了功耗的大幅提升，难以进一步持续减小晶体管的特征尺寸。通过引入层状半导体，并依据其特性设计新型层状晶体管结构，发现可以通过单个晶体管实现逻辑门（与门、或门），而同样的逻辑门在传统结构中则需要两个晶体管。这一新型晶体管结构极大的提高了晶体管的面积利用率，可以促进晶体管的特征尺寸持续缩小。
通过进一步研究，发现该层状晶体管不但可以实现单一的逻辑门，而且可以通过外界的光照条件和沟道材料的厚度调控逻辑门的种类。现有的实验数据已经证明了，硫化钼沟道的厚度在大于4nm时，晶体管具备“或门”特性，而当沟道厚度减小到4nm以下时，可以通过光照条件在“与”门和“或”门之间自由切换。这表明层状晶体管结构除了在面积利用率上有较大优势外，还具备更为丰富可控的特性。
文章链接
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0462-6
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