IBM展示了首个针对液氮冷却进行优化的先进CMOS晶体管

IBM在2023年12月早些时候的IEEE国际电子器件会议（IEDM）上展示了首个针对液氮冷却进行优化的先进CMOS晶体管。纳米片晶体管将通道分割成一堆薄硅片，完全被栅包围。IBM的高级研究员鲍汝强表示：“纳米片器件结构使我们能够在指甲大小的空间内容纳50亿个晶体管。”这些晶体管有望取代当前的FinFET技术，并被用于IBM的首个2纳米原型处理器。纳米片技术是逻辑器件逐步缩小的下一步，将其与液氮冷却技术搭配可能会带来更好的性能。

研究人员发现，在77K的温度下运行，与在大约300K的室温条件下运行相比，设备性能翻了一番。鲍汝强表示，低温系统具有两个关键优势：较少的电荷散射和较低的功耗。减少散射降低了导线的电阻，使电子能够更快地穿过器件。再加上更低的功耗，设备可以在给定电压下驱动更大电流。

将晶体管冷却到77K还提供了更大的设备“开”和“关”位置之间的灵敏度，从而在从一种状态切换到另一种状态时需要更小的电压变化。这可以显著降低功耗。降低电源电压反过来可以通过减小晶体管宽度来帮助缩小芯片尺寸。然而，晶体管的阈值电压（在源和漏之间创建导电通道或切换到“开”位置所需的电压）随温度降低而增加，这带来了一个关键的挑战。

在今天的制造技术下降低阈值电压很难，因此IBM的研究人员选择了一种新方法，即集成两个不同的金属栅和双偶极子。 CMOS技术由n型和p型晶体管对组成，分别掺杂有电子供体和电子受体。研究人员通过在每个晶体管上添加不同的金属杂质，使其在n型和p型晶体管的界面处形成偶极子。这种添加降低了在带边缘移动电子所需的能量，使晶体管更加高效。