有助于将摩尔定律推至亚1纳米，清华学者开发迄今最小栅长晶体管，革新小尺寸晶体管制备路径
1965 年，Intel 公司创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出“摩尔定律”：“集成电路芯片上可容纳的晶体管数目，每隔 18-24 个月便会增加一倍，微处理器的性能提高一倍，或价格下降一半。”近日戈登·摩尔先生去世，我们纪念他并感激他的杰出成就，将他的思想和精神传承下去。回头再来看摩尔定律，在其作用下，晶体管的栅极尺寸朝着更加小型化发展。然而近年来，随着晶体管的物理尺寸缩小至“纳米”尺度，领域的问题（如短沟道效应）也接踵而来，因此科学家们将重点关注到新结构以及新材料。 田禾（隶属于任天令教授团队）是清华大学集成电路学院集成纳电子所副所长、副教授、特别研究员、博士生导师。他的研究方向是基于二维材料（石墨烯、二硫化钼、黑磷等）的新型微纳电子器件，包括晶体管、存储器、传感器/执行器、仿生器件等。
截至目前，他已发表论文 180 余篇，代表性一作 / 通讯论文包括：Nature 主刊（1 篇）、Nature Machine Intelligence（1 篇）、 Nature Communications（3 篇）、Science Advances（1 篇）。
其合作者包括诺奖得主迈德·H·泽维尔（Ahmed H. Zewail）教授、IEEE Fellow 黄汉森（H.-S. Philip Wong）教授、美国工程院院士鲍哲南教授等。田禾的论文累计他引超过 7000 次，引用者包括 1 名诺贝尔奖得主、23 位院士、17 位会士等。
图丨2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者田禾
凭借开发世界上栅长最小的晶体管，推动摩尔定律发展到亚 1 纳米级别，为二维薄膜在集成电路的未来应用提供参考依据，田禾成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 中国入选者之一。
有助于推动摩尔定律发展到亚 1 纳米级别
2016 年，美国劳伦斯·伯克利国家实验室联合斯坦福大学团队在 Science 发表论文，创造了栅极晶体管尺寸 1 纳米的纪录。“我要挑战这个记录”，从那时起，创造新记录的“种子”就在田禾心中悄悄埋下，并不断思索一些可能超越的路径。
图丨左图为传统光刻方式制备晶体管，右图为田禾提出的通过自组装方式实现了 0.34nm 栅长晶体管
为进一步解决 1 纳米以下栅长晶体管的难题，他以通讯作者兼共一身份在 Nature 发表论文，在超窄亚 1 纳米物理栅长控制下，晶体管能有效的开启、关闭，其关态电流在 pA 量级，开关比可达 105，亚阈值摆幅为 117mV/dec。
他用自组装方式，突破了传统需要光刻机制备小尺寸晶体管的路径。其关键点在于，栅极基于石墨烯薄膜超薄的单原子层厚度以及出色的导电性能，而垂直的二硫化钼沟道开关则由石墨烯侧向电场加以控制。
田禾利用一种新途径，解决了石墨烯垂直方向电场的屏蔽问题。最终，创造了摩尔定律晶体管物理栅极尺寸新纪录 0.34nm。
“我们在石墨烯表面沉积金属铝，利用铝自然氧化来解决石墨烯表面难以沉积绝缘介质的难题。并且，铝接地之后可以有效地屏蔽石墨烯的表面电场，从而仅允许石墨烯侧向发出电力线，再使用原子层沉积的二氧化铪作为栅极介质以及化学气相沉积的单层二硫化钼薄膜作为沟道。”他说。
图丨亚 1 纳米栅长晶体管结构示意图（来源：田禾）
2022 年 3 月 10 日，相关论文以《具有亚 1 纳米栅极长度的垂直硫化钼晶体管》（Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths）为题发表 Nature 上。与此同时，该技术入选了 2022 年国内十大科技新闻（科技日报评选）、以及 2022 年度“中国半导体十大研究进展”（半导体学报评选）。
田禾表示：“这是有中国科学家参与的摩尔定律相关的栅长微缩。这次研究也让我认识到，需要通过物理底层认知层面的突破，才能实现整个应用层面的突破。”
他指出，未来可能会有更小的原子（比如锂原子或氢原子）来实现更小的栅长尺度，但是制备单层金属锂或氢仍存在困难。因此，该记录可能会保持很久。
图丨亚 1 纳米栅长晶体管器件结构图、制备工艺及表征图（来源：Nature）
在二维材料传感器和执行器领域，田禾实现了首个石墨烯“人工喉”新概念器件，相关论文发表在 Nature Communications，并入选了 2017 年中国“十大重大技术进展”，以及 2018 年中国国际智博会十大“黑科技”创新产品。
通过将传感器贴到喉咙，通过收集、识别的喉咙机械运动，然再转变为发出声音发的方式，辅助失语患者实现发声。“特别是对于喉部切除的患者，通过该技术可以帮助他们恢复正常的语言交流能力。”他说。
目前，他在任天令教授带领下与团队成员正在完善第二代石墨烯人工喉，并探索更丰富的数据库以及探索临床应用。
近期，研究团队基于智能人工喉提出了混合模态语音识别与交互新范式，相关论文以《使用可穿戴人工喉的混合模态语音识别与交互》（Mixed-modality speech recognition and interaction using a wearable artificial throat）为题，于 2023 年 2 月 24 日在线发表在 Nature Machine Intelligence 上。
除了声音的发射，他也关注对声音的接收，实现达 0.1Pa 超低检测下限的“人工耳”。
图丨“人工耳”声学传感器结构、工作机理及性能图
此外，他还在单个器件中集成了马尔可夫链算法，并在单个器件中实现了三固定概率随机数产生器，经 NIST 随机数标准验证该器件具有突出实用化潜力。
从高考失意到与诺奖得主合作，再回母校清华任教
田禾并非一开始就拿到一副“好牌”，而是通过超乎常人的付出“披荆斩棘”后，取得了瞩目的成绩。
其父亲是中学老师，母亲是医生。学校的成长环境和父母的以身作则，让他养成了认真做事的习惯。他是一位“慢热型”选手，处在“得过且过”的状态，直到高中都没有明白“学习是为了自己以后前程”的道理。
高考时他没有取得理想的成绩，然而高考的落差却带给了他更多奋进的动力，自从进入合肥工业大学微电子学院后，他就一直“憋着一股劲”。四年本科期间，他没有放松过一天，而是将所有的时间和精力全部投入到学习中，连续三年获得了国家奖学金。
功夫不负有心人，最终他以全学院专业排名第一（GPA 1/270）的成绩保送到清华大学微纳电子系直博，师从任天令教授。而后者的言传身教，对田禾的整个学术生涯起到了决定性引领作用。
“我不仅能进到清华，还要在这个平台证明自己。我认为日积月累的努力非常重要，当我沉浸式投入时常常忘记时间。在读博期间，我每天和导师几乎都是最后被‘赶’出实验室的。”他回忆道。
他在博士三年级时，已经获得了清华大学研究生特等奖学金、清华大学学术新秀、教育部博士研究生学术新人奖，从此明确了学术志向。在任天令教授的悉心栽培和积极推荐下，他还在博士期间到伯克利大学和斯坦福大学访学半年。
博士毕业后，他继续在海外深造，在耶鲁大学和南加州大学各做了一年博士后，合作导师分别为夏丰年教授和汪涵教授。在海外访学和从事博后研究的经历，不仅开拓了他的国际视野，也收获了宝贵的精神财富。
图丨田禾
2010 年，二维材料获得诺贝尔物理学奖，而二维材料的器件应用非常值得深入探索并有望代替硅基技术，因此田禾希望大力推动二维材料的器件应用。在二维材料的仿生突触器件研究方面，他还实现了二维黑磷各向异性突触、电场调控黑磷带隙的晶体管。
并且，他参与了加州理工大学哈迈德·H·泽维尔（Ahmed H. Zewail）教授（1999 年诺贝尔化学奖获得者，飞秒化学之父）的科研合作，探索了新型二维材料黑磷的基础物理特性和器件应用，并通过扫描电子显微镜，在 ps 量级实时观察光生载流子的扩散过程。
他说：“总计在海外的两年半时间，我向世界最顶级的科学家学习前沿的科研思路、目睹了最狂热的科研‘疯子’对科研的热爱和执着，与合作者经历过最热烈的实验室讨论，也收获了真挚的兄弟情谊，更有幸与诺奖得主合作论文。”
2017 年，他回到母校清华任教，正式开启了“青椒”生涯。“你的科研做得不错，但就是缺少了代表作。”夏丰年教授在田禾博士后期间说的这句话，一直深深刻在他的脑中。此前，他虽然也做了大量实验，但理论相对薄弱，缺少相对突出的成果。
2022 年，在田禾走上科研道路的第十二年，他以通讯作者兼共一的身份，终于发表了 Naure 论文。“这是我人生中第一篇主刊工作。过去 4 年来的心酸苦楚、无数个日日夜夜的付出终于得到了回报。”
创新是科研的灵魂
田禾认为，创新是科研的灵魂，任何科研活动都离不开创新，就像鱼不能离开水一样。正是由于创新，才激发了他对科研的热爱，并不断尝试实现可能的突破。这让他品尝到科研最极致的快乐——把创新的想法变成现实。
他希望能将科研成果实现从原始发现到应用的全流程推动，通过与企业联合的方式，把二维材料器件科研成果，在实际应用场景下用起来。
例如，他与其课题组研发的电子皮肤，可应用到对驾驶人感知、对机器人皮肤、房屋建筑智能化。近年来，他们陆续与丰田汽车、腾讯、大金株式会社、珠海华发建筑集团等开展校企联合研发的项目。
在超灵敏的石墨烯压力传感器方面，他还研制了能感知 0.1Pa 的人体微小压力，贴敷于手腕处能够精确测量人体脉搏。通过柔性超灵敏压力传感器解决人体 24 小时血压监测需求，且具有高精度、小体积、无测量压迫感等特性，有望成为新一代人体健康监测的颠覆性技术。
参考资料：1.https://www.intel.com/content/ww ... ault/articles/moore s-law.html2. DESAI, S. B., et al. MoS2 transistors with 1-nanometer gate lengths, Science 354,6308,99-102(2016). https://www.science.org/doi/10.1126/science.aah46983.Wu, F.+, Tian, H.+*, Shen, Y.+ et al. Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths. Nature 603, 259–264 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04323-34.Tao, LQ.+, Tian, H.+, Liu, Y. et al. An intelligent artificial throat with sound-sensing ability based on laser induced graphene. Nature Communications 8, 14579 (2017). https://doi.org/10.1038/ncomms145795.Yang, Q., Jin, W., Zhang, Q. et al. Mixed-modality speech recognition and interaction using a wearable artificial throat. Nature Machine Intelligence 5, 169–180 (2023). https://doi.org/10.1038/s42256-023-00616-66.Guang-Yang Gou+, Xiao-Shi Li+, Jin-Ming Jian+, He Tian+*, et al. Two-stage amplification of an ultrasensitive MXene-based intelligent artificial eardrum, Science Advances 8, 2156(2022). https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abn21567.Tian, H.+*, Wang, XF.+, Mohammad, M.A. et al. A hardware Markov chain algorithm realized in a single device for machine learning. Nature Communications 9, 4305 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-06644-w8.He Tian+, Qiushi Guo+, Yujun Xie, Huan Zhao, Cheng Li, Judy J Cha, Fengnian Xia*, Han Wang*, Anisotropic black phosphorus synaptic device for neuromorphic applications, Advanced Materials 28, 4991-4997（2016）.https://doi.org/10.1002/adma.2016001669.Bolin Liao, Huan Zhao, Ebrahim Najafi, Xiaodong Yan, He Tian, Jesse Tice, Austin J Minnich*, Han Wang*, Ahmed H Zewail, Spatial-temporal imaging of anisotropic photocarrier dynamics in black phosphorus, Nano Letters 17, 3675-3680（2017）. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b00897
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