IBM展示了首個(gè)針對(duì)液氮冷卻進(jìn)行優(yōu)化的先進(jìn)CMOS晶體管

IBM在2023年12月早些時(shí)候的IEEE國際電子器件會(huì)議（IEDM）上展示了首個(gè)針對(duì)液氮冷卻進(jìn)行優(yōu)化的先進(jìn)CMOS晶體管。納米片晶體管將通道分割成一堆薄硅片，完全被柵包圍。IBM的高級(jí)研究員鮑汝強(qiáng)表示：“納米片器件結(jié)構(gòu)使我們能夠在指甲大小的空間內(nèi)容納50億個(gè)晶體管?！边@些晶體管有望取代當(dāng)前的FinFET技術(shù)，并被用于IBM的首個(gè)2納米原型處理器。納米片技術(shù)是邏輯器件逐步縮小的下一步，將其與液氮冷卻技術(shù)搭配可能會(huì)帶來更好的性能。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在77K的溫度下運(yùn)行，與在大約300K的室溫條件下運(yùn)行相比，設(shè)備性能翻了一番。鮑汝強(qiáng)表示，低溫系統(tǒng)具有兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：較少的電荷散射和較低的功耗。減少散射降低了導(dǎo)線的電阻，使電子能夠更快地穿過器件。再加上更低的功耗，設(shè)備可以在給定電壓下驅(qū)動(dòng)更大電流。

將晶體管冷卻到77K還提供了更大的設(shè)備“開”和“關(guān)”位置之間的靈敏度，從而在從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)時(shí)需要更小的電壓變化。這可以顯著降低功耗。降低電源電壓反過來可以通過減小晶體管寬度來幫助縮小芯片尺寸。然而，晶體管的閾值電壓（在源和漏之間創(chuàng)建導(dǎo)電通道或切換到“開”位置所需的電壓）隨溫度降低而增加，這帶來了一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。

在今天的制造技術(shù)下降低閾值電壓很難，因此IBM的研究人員選擇了一種新方法，即集成兩個(gè)不同的金屬柵和雙偶極子。 CMOS技術(shù)由n型和p型晶體管對(duì)組成，分別摻雜有電子供體和電子受體。研究人員通過在每個(gè)晶體管上添加不同的金屬雜質(zhì)，使其在n型和p型晶體管的界面處形成偶極子。這種添加降低了在帶邊緣移動(dòng)電子所需的能量，使晶體管更加高效。