检查缺陷对二维集成电路的影响

几十年来，晶体管——计算机芯片的核心——变得越来越小。因此，许多设备中的电子元件可以做得更紧凑、速度更快、功能更强大。但这种发展会自然停止吗?组件越小，原子结构中的个别缺陷显着改变组件行为的危险就越大。这适用于成熟的硅技术和基于二维材料的新型纳米技术。

维也纳科技大学(TUWien)在晶体管级对该问题的物理描述进行了大量工作。现在，研究人员正在更进一步，研究缺陷在电子电路层面的影响，这些电子电路有时由几个——有时甚至数十亿个——晶体管组成。在某些情况下，单个晶体管可以在所需规格之外运行，但作为由多个晶体管组成的电路的一部分仍然表现良好。通过电路级的这种新方法，仍然有可能在小型化方面取得重大进展。

该研究发表在《先进材料》杂志上。

更小的组件，更大的错误

“如今最小的晶体管只有几纳米大小，”维也纳工业大学微电子研究所的MichaelWaltl说。“所以已经发展到原子尺度了。”但晶体管在原子层面上从来都不是完美的：有时一个原子可能位于错误的位置，有时两个不同晶体之间的连接并不十分精确。

“在较大的组件中，此类错误不会发挥如此重要的[作用]。但是对于几纳米数量级的微型晶体管，即使是单个缺陷也会导致晶体管的特性曲线远远超出指定的公差范围。因此，它被认为无法使用，”Waltl继续说道。

电子元件中材料缺陷的影响通常在行业中有统计记录：制造和测量了数以万计的晶体管。基于以这种方式确定的可，然后可以计算出这些晶体管是否可用，或者是否必须调整几何形状或生产工艺并减少缺陷数量。例如，在最坏的情况下，必须增加芯片的面积。这会损害芯片的性能并增加其价格。

“仅仅寻找性能超出所需参数范围的晶体管是一种过于简单化的观点，”Waltl说。“毕竟，晶体管连接起来形成一个电子电路——例如，一个反相器，它可以反转信号或由六个晶体管组成的存储器。有趣的问题不是当原子级发生故障时单个晶体管是否满足某些抽象标准，但整个电路是否正常运行。”

TUWien的微电子团队结合实验和计算机模拟来解决这个问题。检查了许多电子元件，并根据结果创建了精心设计的计算机模型。

精确的计算机模型使设计稳健的电路成为可能

事实证明，即使有错误的晶体管也不一定没用。“容错能力取决于电路——设计电路时应考虑到这一点，”Waltl说。“例如，可能是晶体管在电子电路的特定点必须特别低故障，但同一电路中另一个晶体管的容差更大。”在这种情况下，可以使用两种不同类型的晶体管来确保电路可靠地执行其任务。

“我们的结果适用于硅晶体管和新型二维半导体，”Waltl澄清道。“无论你想使用什么技术来创建具有更小组件的下一代芯片：在任何情况下，不可避免的错误的影响都不应像迄今为止的情况那样仅凭经验来描述，而应该求助于先进的物理计算模型来模拟部分电路或整个电路，以充分利用新的可能性。”