IBM展示了首個針對液氮冷卻進行優化的先進CMOS晶體管

IBM在2023年12月早些時候的IEEE國際電子器件會議（IEDM）上展示了首個針對液氮冷卻進行優化的先進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的高級研究員鮑汝強表示：“納米片器件結構使我們能夠在指甲大小的空間內容納50億個晶體管。”這些晶體管有望取代當前的FinFET技術，并被用于IBM的首個2納米原型處理器。納米片技術是邏輯器件逐步縮小的下一步，將其與液氮冷卻技術搭配可能會帶來更好的性能。

研究人員發現，在77K的溫度下運行，與在大約300K的室溫條件下運行相比，設備性能翻了一番。鮑汝強表示，低溫系統具有兩個關鍵優勢：較少的電荷散射和較低的功耗。減少散射降低了導線的電阻，使電子能夠更快地穿過器件。再加上更低的功耗，設備可以在給定電壓下驅動更大電流。

將晶體管冷卻到77K還提供了更大的設備“開”和“關”位置之間的靈敏度，從而在從一種狀態切換到另一種狀態時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（在源和漏之間創建導電通道或切換到“開”位置所需的電壓）隨溫度降低而增加，這帶來了一個關鍵的挑戰。

在今天的制造技術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，即集成兩個不同的金屬柵和雙偶極子。 CMOS技術由n型和p型晶體管對組成，分別摻雜有電子供體和電子受體。研究人員通過在每個晶體管上添加不同的金屬雜質，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電子所需的能量，使晶體管更加高效。