世界上zui小的晶體管問世，碳納米管和二硫化鉬使晶體管尺寸達到1納米

摩爾定律曾預(yù)言集成電路上晶體管的密度每兩年就會翻一倍，十多年來這條定律無比準確地預(yù)言了半導(dǎo)體工業(yè)的高速發(fā)展，而現(xiàn)在，這場拉鋸戰(zhàn)快要接近終點。因為受物理規(guī)律的限 制，傳統(tǒng)的硅晶體管的尺寸無法小于5納米，而目前市面上在售的高檔芯片中晶體管的尺寸已經(jīng)達到20納米，我們已經(jīng)迫近極限。

二硫化鉬和碳納米管構(gòu)成的晶體管示意圖

摩爾定律曾預(yù)言集成電路上晶體管的密度每兩年就會翻一倍，十多年來這條定律無比準確地預(yù)言了半導(dǎo)體工業(yè)的高速發(fā)展，而現(xiàn)在，這場拉鋸戰(zhàn)快要接近終點。因為受物理規(guī)律的限  制，傳統(tǒng)的硅晶體管的尺寸無法小于5納米，而目前市面上在售的高檔芯片中晶體管的尺寸已經(jīng)達到20納米，我們已經(jīng)迫近極限。

一個重大的突破

近日，一支來自勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)的研究團隊將晶體管的尺寸縮小到了1納米，只有人類頭發(fā)直徑的1/50000。

“我們做出了世界上zui小的晶體管，”團隊的領(lǐng)頭人阿里·基維（Ali Javey）說道，他是BerkeleyLab材料科學(xué)部電子材料項目的首 席科學(xué)家，同時也是加州大學(xué)伯克利分校電子工程和計算機科學(xué)系的教授。

“通常晶體管的尺寸指的就是柵極的長度，我們做出了1納米柵極的晶體管，這證明只要選對了合適的材料，電子設(shè)備的尺寸可以變得更小?！?/span>

碳納米管(Carbon Nanotubes)和二硫化鉬(MoS2)是制作這種新型晶體管的關(guān)鍵。二硫化鉬是常見的汽車發(fā)動機潤滑劑，值得一提的是，它不僅被用在晶體管制作方面，在LED、激光器、太陽能電池等領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用價值。

   這項研究已于10月在《Science》上發(fā)表，其合作研究者包括LBNL和加州大學(xué)伯克利分校的雙聘教授杰夫·博克爾（Jeff Bokor）、加州大學(xué)伯克利分校的胡正明教授、德克薩斯大學(xué)達拉斯分校的摩恩·金（Moon Kim）教授和斯坦福大學(xué)的菲利普·王（H.S. Philip Wong）教授。

二硫化鉬和碳納米管晶體管原理圖

新晶體管的誕生有希望延長摩爾定律的使用年限。但更實際的，若這種晶體管能投入應(yīng)用，我們的筆記本電腦、手機、平板等電子設(shè)備將會擁有更高的性能。

阿里·基維實驗室的研究生蘇耶·德賽（SujayDesai）是此項工作的第 一作者，“硅晶體管無法在小于5納米的尺寸之下工作，這是一直以來的行業(yè)共識，因此鮮有人在這方面作出努力，而我們的研究或許可以喚起人們對于縮小晶體管尺寸的興趣。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工業(yè)已經(jīng)快把硅這種材料榨干了，但是我們做了一點改變——將硅替換為二硫化鉬——就得到了令人驚喜的突破，一個可以實現(xiàn)開關(guān)功能的1納米晶體管?！?/span>

新型晶體管的工作原理

晶體管由三部分組成：源極、漏極和柵極，電流在源極和漏極之間傳輸，而柵極的作用就像是一個閘板，控制著電流的開關(guān)。

晶體管的zui小尺寸受到物理學(xué)中“量子隧穿效應(yīng)”的制約，當材料的尺寸小于量子隧穿的臨界尺寸時，電子就能夠“穿過”它面前的“障礙物”從而使得柵極失去調(diào)控能力，而硅的臨界尺寸為5納米左右，這就是硅晶體管無法小于5納米的原因。

透射電子顯微鏡(TEM)得到的晶體管截面圖

但二硫化鉬具有和硅不同的晶格結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致其導(dǎo)電性較之硅要差，電子在二硫化鉬中看起來更“重”一些。再者，對原子級厚度(約0.65納米)的二硫化鉬薄片的測量顯示其具有更低的介電常數(shù)，這意味著它在同樣的電場中貯存電子的能力更強。綜合以上兩點的影響，電子在二硫化鉬中更不容易發(fā)生隧穿，也就是其臨界尺寸要更小一些，因此用二硫化鉬制作的晶體管尺寸可以達到1納米。

一旦選定好二硫化鉬作為半導(dǎo)體材料，接下來要做的就是構(gòu)建柵極。要做出一個1納米寬的柵極可不是件容易事，傳統(tǒng)的光刻技術(shù)不適用于如此小的尺度，因此研究人員選擇了碳納米管——一種直徑1納米左右的空心圓柱——用作柵極。

在制作完成后他們對這個二硫化鉬晶體管作了電輸運性質(zhì)的測量，結(jié)果顯示用碳納米管做成的柵極能夠很好地調(diào)控電流。

“這是世界上zui短的晶體管”基維說道，“然而目前這還只是一個概念產(chǎn)品，我們還沒有將其封裝到芯片上，也沒有重復(fù)測試億萬次（以驗證穩(wěn)定性和壽命）；同時我們也無法消除設(shè)備的寄生電阻，這需要運用自對準封裝技術(shù)。雖然這個晶體管目前還不能投入應(yīng)用，但它仍然具有里程碑式的意義因為我們終于打破了傳統(tǒng)硅晶體管5納米的尺寸限 制，摩爾定律看來還能再用幾年。”

以上摘自 麻省理工科技評論

A. Javey, et al, MoS2 transistors with 1-nanometer gate lengths, Science 2016, DOI: 10.1126/science.aah4698