IBM 展示专为液氮冷却优化的纳米片晶体管原型，性能可较室温翻倍

在今年 12 月初旧金山举行的 IEEE 国际电子器件会议（IEDM）上，IBM 研究人员展示了首款专为液氮冷却优化的先进 CMOS 晶体管。

据了解，液氮沸点极低，只有 -196°C，是目前主流电子器件无法承受的超低温。然而，在如此严寒的环境下，晶体管的电阻和漏电电流都会大幅降低，从而提升性能和降低功耗。

IBM 研发的纳米片晶体管将硅通道切割成薄薄的纳米片层，并用栅极完全包围，实现了更有效的电场控制。这种结构不但能将 500 亿个晶体管塞进指甲盖大小的区域，而且在液氮冷却下，性能更是惊人地翻了一番。

低温环境带来了两大优势：更低的电荷载子散射和更低的功耗。散射减少意味着电阻降低，电子在器件中的移动更加顺畅；而功耗的下降，则可以让器件在相同电压下驱动更大的电流。此外，液氮冷却还提高了晶体管的开 / 关灵敏度，只需更小的电压变化即可切换状态，进一步降低功耗。

然而，低温也带来了新的挑战：阈值电压升高。阈值电压是指将晶体管导通所需的电压，它会随着温度下降而升高，使得器件开关更加困难。传统工艺难以降低阈值电压，因此 IBM 研究人员采用了一种全新的双金属栅极和双偶极子技术。他们通过在 n 型和 p 型晶体管的接口处添加不同的金属杂质，形成偶极子，从而降低电子跨越导带边所需的能量，使晶体管更加高效。