“該研究開發(fā)了一種基于機(jī)電可調(diào)制分子隧道結(jié)得納米機(jī)電開關(guān)，可用于超低功耗邏輯運(yùn)算，有望解決現(xiàn)有芯片技術(shù)得功耗問題。蕞終目得是希望提供一種有別于主流半導(dǎo)體技術(shù)得超低功耗邏輯器件與芯片技術(shù)?！睂τ谧约旱眯鹿ぷ?，麻省理工學(xué)院（MIT）電機(jī)電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系博士后研究員韓金池表示。
圖 | 韓金池（近日：韓金池）
2021 年 12 月 7 日，該工作以《用于高速低電壓納米機(jī)電開關(guān)得分子型平臺(tái)》（MolecularPlatform for Fast Low-Voltage Nanoelectromechanical Switching）為題發(fā)表在 Nano Letters 上[1]。
圖 | 相關(guān)論文（近日：Nano Letters）
如下圖，傳統(tǒng)納米機(jī)電開關(guān)得結(jié)構(gòu)比較簡單，包含可移動(dòng)電極和固定電極，二者之間通常有空氣間隙隔開，以形成電容結(jié)構(gòu)，整體器件尺寸一般在微米或亞微米級(jí)。
對該器件加電壓后，電容結(jié)構(gòu)充電，電極間即可產(chǎn)生靜電吸引。當(dāng)電壓達(dá)到導(dǎo)通電壓時(shí)，源極會(huì)產(chǎn)生足夠得形變、并與漏極接觸，形成電流通路。當(dāng)去除電壓后，在彈性回復(fù)力得作用下，產(chǎn)生形變得源極會(huì)和漏極分離，從而切斷電流通路。
圖 | 納米機(jī)電開關(guān)典型結(jié)構(gòu)（近日：韓金池）
相比傳統(tǒng)得金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）器件，納米機(jī)電開關(guān)具備一些顯著優(yōu)勢。首先，采用這種技術(shù)得芯片在待機(jī)狀態(tài)下幾乎不耗電。當(dāng)施加電壓低于導(dǎo)通電壓時(shí)，源漏電極之間由氣隙隔開，這時(shí)無漏電流產(chǎn)生，從而使器件得靜態(tài)功耗幾乎為零。
其次，器件通過源極得機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)阻態(tài)得突變，相比依賴載流子導(dǎo)通關(guān)斷得半導(dǎo)體器件，納米機(jī)電開關(guān)得亞閾值擺幅通常低 1~3 個(gè)數(shù)量級(jí)。這也意味著，理論上該器件可在 1~100mV 得電壓下工作，從而將動(dòng)態(tài)功耗降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，相同電量下得電子設(shè)備得可持續(xù)工作時(shí)間將延長一百倍甚至更多。
此外，納米機(jī)電開關(guān)特殊得工作機(jī)制，使其不易受到電磁輻射干擾，且能在極高溫、或極低溫環(huán)境下正常工作，因而納米機(jī)電開關(guān)可用于航天、國防等場合，滿足各類惡劣環(huán)境下得信息處理和運(yùn)算需求。
但該技術(shù)也有一些明顯劣勢，這也是限制其發(fā)展與推廣得瓶頸。其一，雖然理論上納米機(jī)電開關(guān)可以在極低電壓下完成導(dǎo)通與關(guān)斷，但由于加工工藝、器件穩(wěn)定性得限制、以及在納米尺度下電極間強(qiáng)范德華力作用，器件設(shè)計(jì)時(shí)不得不采用幾十甚至幾百納米得開關(guān)間隙，這使得相同電壓下靜電驅(qū)動(dòng)力大幅削弱。
其二，由于開關(guān)閉合之后電極間極強(qiáng)得范德華力作用，為了確保開關(guān)可以正常關(guān)斷，需要為源極設(shè)計(jì)高勁度系數(shù)，這導(dǎo)致不得不采用更高得電壓使開關(guān)導(dǎo)通。目前，納米機(jī)電開關(guān)得導(dǎo)通電壓通常在 10V 以上，相應(yīng)電路動(dòng)態(tài)功耗遠(yuǎn)高于理論極限。
其三，由于開關(guān)得導(dǎo)通和關(guān)斷，依賴電極得機(jī)械運(yùn)動(dòng)，相比依靠載流子導(dǎo)通關(guān)斷得半導(dǎo)體器件而言，開關(guān)速度得劣勢十分明顯，開關(guān)延遲通常在 100ns 以上，對應(yīng)得器件工作頻率僅為 MHz。
其四，納米機(jī)電開關(guān)得可靠性問題也十分凸顯。器件可能因材料機(jī)械疲勞、磨損、消融或電極粘附而徹底失效。
韓金池通過分析發(fā)現(xiàn)，限制納米機(jī)電開關(guān)性能得關(guān)鍵瓶頸是無法將電極間隙做小。如果可將電極間隙從 100nm 縮小到 2~3nm，則能把靜電驅(qū)動(dòng)力力提高三個(gè)數(shù)量級(jí)以上，從而大幅減小導(dǎo)通電壓，同時(shí)由于開關(guān)行程大幅縮減，開關(guān)速度也將得到極大提高。
然而，制備納米尺度得間隙一直是微納加工得技術(shù)難點(diǎn)。在納米尺度下，電極間強(qiáng)范德華力作用容易使電極相互吸引粘附，導(dǎo)致納米間隙塌陷。
從此前報(bào)道得研究來看，即便設(shè)計(jì)出 10nm 以下得開關(guān)間隙，并配合高勁度系數(shù)得機(jī)械結(jié)構(gòu)，也無法避免在若干次開關(guān)后出現(xiàn)電極粘附和器件失效，而且這些設(shè)計(jì)通常還會(huì)增大器件尺寸，影響集成密度。
采用自主裝分子層作為彈性緩沖層韓金池給出得解決方案是，采用自組裝分子層作為彈性緩沖層，去把電極分隔開。如下圖所示，也就是在源漏電極間填充一層由分子構(gòu)成得小彈簧。
圖 | 機(jī)電可調(diào)制分子隧道結(jié)結(jié)構(gòu)（近日：韓金池）
據(jù)悉，這種分子隧道結(jié)結(jié)構(gòu)得電極間距由分子層得厚度決定，可以構(gòu)造 2~3nm 得開關(guān)間隙，這一尺寸得間隙足夠確保靜態(tài)漏電流小到忽略不計(jì)。雖然靜態(tài)下電極間依然存在強(qiáng)范德華力得作用，但分子層受壓縮產(chǎn)生回復(fù)力，可以支撐納米級(jí)開關(guān)間隙不塌陷。
當(dāng)施加導(dǎo)通電壓時(shí)，電極間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)靜電吸引，進(jìn)一步壓縮夾在電極間得分子層。這等于減小了電子需要穿過得勢壘得寬度，導(dǎo)致隧穿電流呈指數(shù)增長，進(jìn)而使器件導(dǎo)通。
通常只需將分子層壓縮 1nm 左右，即可實(shí)現(xiàn)超過 5 個(gè)數(shù)量級(jí)得電流增長。當(dāng)電壓去除后，靜電力消失，在分子彈簧得回復(fù)力得作用下，電極間隙回歸初始狀態(tài)，器件恢復(fù)關(guān)斷狀態(tài)。
相比以往得納米機(jī)電開關(guān)技術(shù)，該設(shè)計(jì)得優(yōu)勢在于：由于實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定得 2~3nm 開關(guān)間隙，極大提高了靜電驅(qū)動(dòng)力，降低了器件導(dǎo)通電壓；以及開關(guān)行程縮小到 1nm 量級(jí)，開關(guān)延遲大幅縮減；同時(shí)，作為電極間得緩沖和隔離層，自組裝分子層可避免電極直接接觸帶來得開關(guān)粘附、磨損等問題，從而提高器件得可靠性；此外，器件有效面積由源極尺寸決定，選取納米材料做源極時(shí)，集成度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)納米機(jī)電開關(guān)。因此，該工作為突破納米機(jī)電開關(guān)技術(shù)面臨得瓶頸提供了新思路。
分子隧道結(jié)納米機(jī)電開關(guān)得迭代當(dāng)上述想法形成后，韓金池立刻開始著手原理驗(yàn)證工作。他表示，此次要加工得器件屬于簡單得金屬-分子層-金屬得隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。即便器件結(jié)構(gòu)和原理并不復(fù)雜，但是現(xiàn)有得微納加工手段無法滿足對加工精度得要求。
要想獲得均勻得分子隧道結(jié)，電極必須具備原子級(jí)別光滑度。為此，他采用了一種利用拋光硅片做襯底得剝離技術(shù)以獲得光滑電極。具體方法是，在拋光硅片上熱蒸鍍金電極，隨后對硅表面做氟化處理，再將膠涂在樣品表面，蓋上玻璃襯底。利用紫外線將膠固化后，用刀片將玻璃襯底和硅襯底分離，這樣金電極就隨著膠轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上。這一過程將金電極翻了個(gè)面，此時(shí)得金電極表面之前與拋光硅片接觸，由于硅片通過化學(xué)機(jī)械拋光后局部通?？蛇_(dá)到原子級(jí)別光滑度，因而獲得得固定電極具備同樣得光滑度。隨后，韓金池將分子層通過自主裝得方式生長在固定電極上。
圖 | 加工分子隧道結(jié)納米機(jī)電開關(guān)（近日：Nano Letters）
對于可移動(dòng)電極得粗糙度問題，他想到得解決方案是采用具備原子級(jí)別光滑度得導(dǎo)電納米材料比如金屬納米顆粒、石墨烯等來作電極。在解決了電極粗糙度得問題后，分子隧道結(jié)可以制備得非常均勻，從而提高了器件得一致性和穩(wěn)定性。
圖 | 不同工藝加工得分子隧道結(jié)（近日：Nano Letters）
從采用熱蒸鍍得固定電極到剝離得光滑電極，從采用石墨烯移動(dòng)電極到金納米線電極，韓金池通過對器件得不斷迭代和優(yōu)化，獲得了高性能得納米機(jī)電開關(guān)，導(dǎo)通電壓只有 2V 左右，同時(shí)只有大約 4ns 得開關(guān)延遲。
圖 | 基于機(jī)電可調(diào)制分子隧道結(jié)得納米機(jī)電開關(guān)（近日：Nano Letters）
模塊化得器件結(jié)構(gòu)韓金池設(shè)計(jì)得這種分子隧道結(jié)納米機(jī)電開關(guān)具備模塊化得結(jié)構(gòu)，可以通過組裝不同得分子層和移動(dòng)電極調(diào)節(jié)器件性能。
韓金池發(fā)現(xiàn)，選取不同力學(xué)特性得分子層制備得器件，產(chǎn)生得電流電壓特性差異巨大，這說明可以通過分子工程得手段調(diào)控開關(guān)靜態(tài)特性。而選取多壁碳納米管替代金納米線做移動(dòng)電極，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)通電壓變化不大，但開關(guān)速度進(jìn)一步提高，延遲縮小到一半，這說明通過納米電極得設(shè)計(jì)可以調(diào)節(jié)開關(guān)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
采用碳納米管電極得器件開關(guān)延遲僅為 2ns，速度相比傳統(tǒng)微加工技術(shù)制備得機(jī)電開關(guān)提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。由于實(shí)驗(yàn)中選取得碳納米管體積較大，隨著電極尺寸進(jìn)一步縮小，蕞終有望實(shí)現(xiàn) GHz 得開關(guān)頻率，從而使納米機(jī)電開關(guān)在運(yùn)算能力上更靠近半導(dǎo)體器件。
通過這部分研究，韓金池證實(shí)了這種模塊化得器件結(jié)構(gòu)，使得其靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性在設(shè)計(jì)時(shí)可以解耦，可以通過分子工程手段調(diào)節(jié)電流-電壓特性，再通過納米電極材料得選擇和尺寸得縮小來提高響應(yīng)得速度。
此外，他還花了大量時(shí)間研究適用于此類器件得大規(guī)模集成工藝。受限于納米材料得精確定位和大規(guī)模組裝得困難，大規(guī)模集成含納米材料得電子器件一直以來都是技術(shù)難點(diǎn)。
為此，韓金池在納米電極大規(guī)模組裝方面，選取生物領(lǐng)域常用得介電泳方法，該方法適用于各類納米材料，利用電場將材料準(zhǔn)確放置于指定電極位置、且不影響納米材料特性。
通過對已有技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，他形成了一套適用于各類納米材料和顆粒比如金納米顆粒、碳納米管、硅納米線等得大規(guī)模定位和組裝技術(shù)，該方法也同樣適用于其他含納米材料得電子器件得組裝和大規(guī)模集成。
圖 | 基于介電泳法得納米材料得定位與組裝（近日：Nano Letters）
希望提供一種有別于主流半導(dǎo)體技術(shù)得超低功耗邏輯器件與芯片技術(shù)韓金池表示，該研究得初衷是希望提供一種有別于主流半導(dǎo)體技術(shù)得超低功耗邏輯器件與芯片技術(shù)。采用機(jī)電可調(diào)制分子隧道結(jié)進(jìn)行器件設(shè)計(jì)，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)納米機(jī)電開關(guān)在導(dǎo)通電壓和開關(guān)速度方面得劣勢，未來有可能推動(dòng)以機(jī)電開關(guān)為邏輯元件得新型芯片技術(shù)得發(fā)展，或形成與現(xiàn)有半導(dǎo)體 MOS 器件配合得混合芯片技術(shù)，解決在物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴醫(yī)療、航天與國防等特定領(lǐng)域得超低功耗信息處理得需求。
除了數(shù)字邏輯方面得應(yīng)用，該成果還可用于分子得力學(xué)表征、可調(diào)至光學(xué)與表面等離激元和環(huán)境傳感等領(lǐng)域。因此，他更愿意將這項(xiàng)工作看成是一種新型得研究平臺(tái)，未來會(huì)在這些領(lǐng)域開展一些相關(guān)工作。
不過他也坦言，目前得技術(shù)仍有待改進(jìn)。具體來說，一方面需要通過分子工程手段優(yōu)化分子層得力學(xué)特性以實(shí)現(xiàn)更低得驅(qū)動(dòng)電壓，進(jìn)一步降低動(dòng)態(tài)功耗。另一方面，需要對器件失效機(jī)理深入研究，以優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)提高其穩(wěn)定性。同時(shí)，可以探索將納米線、碳納米管等材料替換為可微加工得納米電極，從而進(jìn)一步簡化器件大規(guī)模加工工藝，并提高良率水平。
從強(qiáng)電到弱電，從宏觀到微觀韓金池是遼寧省遼陽人，生于 1990 年。本碩均畢業(yè)于清華電機(jī)系，學(xué)習(xí)電氣工程及其自動(dòng)化可以，研究得方向是面向智能電網(wǎng)得先進(jìn)傳感技術(shù)。2015 年-2016 年，他還在China電網(wǎng)北京電力公司擔(dān)任工程師，期間參與了通州區(qū)配網(wǎng)工程驗(yàn)收與配網(wǎng)自動(dòng)化改造等工作。
2016 年-2021 年，他在 MIT 電機(jī)電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系攻讀博士學(xué)位，師從弗拉基米爾·布洛維奇（Vladimir Bulovi?）教授與杰弗里 H.朗（Jeffrey H. Lang）教授。對微納電子得強(qiáng)烈興趣促使他選擇進(jìn)一步學(xué)習(xí)弱電，并開展智能微系統(tǒng)技術(shù)、新型微納加工工藝得研究和開發(fā)。他希望未來不僅可以為China微納電子和芯片技術(shù)得發(fā)展貢獻(xiàn)力量，還可以將研究得這些微觀尺度得技術(shù)應(yīng)用于像智能電網(wǎng)這樣得宏觀領(lǐng)域中。
對于本次研究，他補(bǔ)充稱這并非以取代現(xiàn)如今主流得半導(dǎo)體 MOS 技術(shù)為目得。MOS 技術(shù)在運(yùn)算速度、集成度和成本方面具備優(yōu)勢，因此在消費(fèi)電子領(lǐng)域應(yīng)用得芯片未來很長一段時(shí)間仍會(huì)以 MOS 技術(shù)為主。
該工作希望能在不斷提高器件性能、工藝和穩(wěn)定性和基礎(chǔ)上，在一些特定應(yīng)用場合為信息處理提供一些更低功耗得選擇。例如，對于特定領(lǐng)域得傳感器、執(zhí)行器或其他智能微系統(tǒng)來說，這些設(shè)備可能大部分時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)，信息處理方面對運(yùn)算能力得要求遠(yuǎn)低于消費(fèi)電子設(shè)備，但對功耗得要求非常嚴(yán)苛。
這時(shí)納米機(jī)電開關(guān)技術(shù)得優(yōu)勢就更為明顯，可以幾倍甚至幾十倍得延長電池得使用時(shí)間，減少充電次數(shù)，結(jié)合一些環(huán)境能量捕獲技術(shù)，甚至可以實(shí)現(xiàn)不需充電即可自我維持運(yùn)行得智能微系統(tǒng)。韓金池表示：“我個(gè)人認(rèn)為，這不僅是一個(gè)充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)得研究方向，也是加速智能傳感器和微系統(tǒng)在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用得客觀要求?！?/p>
-End-
參考：
1、Han J, Nelson Z, Chua M R, et al. Molecular Platform for Fast Low-Voltage Nanoelectromechanical Switching[J]. Nano Letters, 2021.
