世界上最小的晶体管问世，碳纳米管和二硫化钼使晶体管尺寸达到1纳米

摩尔定律曾预言集成电路上晶体管的密度每两年就会翻一倍，十多年来这条定律无比准确地预言了半导体工业的高速发展，而现在，这场拉锯战快要接近终点。因为受物理规律的限制，传统的硅晶体管的尺寸无法小于5纳米，而目前市面上在售的高档芯片中晶体管的尺寸已经达到20纳米，我们已经迫近极限。

二硫化钼和碳纳米管构成的晶体管示意图

摩尔定律曾预言集成电路上晶体管的密度每两年就会翻一倍，十多年来这条定律无比准确地预言了半导体工业的高速发展，而现在，这场拉锯战快要接近终点。因为受物理规律的限制，传统的硅晶体管的尺寸无法小于5纳米，而目前市面上在售的高档芯片中晶体管的尺寸已经达到20纳米，我们已经迫近极限。

一个重大的突破

近日，一支来自劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的研究团队将晶体管的尺寸缩小到了1纳米，只有人类头发直径的1/50000。

 “我们做出了世界上最小的晶体管，”团队的领头人阿里·基维（Ali Javey）说道，他是BerkeleyLab材料科学部电子材料项目的首席科学家，同时也是加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学系的教授。

 “通常晶体管的尺寸指的就是栅极的长度，我们做出了1纳米栅极的晶体管，这证明只要选对了合适的材料，电子设备的尺寸可以变得更小。”

碳纳米管(Carbon Nanotubes)和二硫化钼(MoS2)是制作这种新型晶体管的关键。二硫化钼是常见的汽车发动机润滑剂，值得一提的是，它不仅被用在晶体管制作方面，在LED、激光器、太阳能电池等领域都有着巨大的应用价值。

这项研究已于10月在《Science》上发表，其合作研究者包括LBNL和加州大学伯克利分校的双聘教授杰夫·博克尔（Jeff Bokor）、加州大学伯克利分校的胡正明教授、德克萨斯大学达拉斯分校的摩恩·金（Moon Kim）教授和斯坦福大学的菲利普·王（H.S. Philip Wong）教授。

二硫化钼和碳纳米管晶体管原理图

新晶体管的诞生有希望延长摩尔定律的使用年限。但更实际的，若这种晶体管能投入应用，我们的笔记本电脑、手机、平板等电子设备将会拥有更高的性能。

阿里·基维实验室的研究生苏耶·德赛（SujayDesai）是此项工作的第一作者，“硅晶体管无法在小于5纳米的尺寸之下工作，这是一直以来的行业共识，因此鲜有人在这方面作出努力，而我们的研究或许可以唤起人们对于缩小晶体管尺寸的兴趣。传统的半导体工业已经快把硅这种材料榨干了，但是我们做了一点改变——将硅替换为二硫化钼——就得到了令人惊喜的突破，一个可以实现开关功能的1纳米晶体管。”

新型晶体管的工作原理

晶体管由三部分组成：源极、漏极和栅极，电流在源极和漏极之间传输，而栅极的作用就像是一个闸板，控制着电流的开关。

晶体管的最小尺寸受到物理学中“量子隧穿效应”的制约，当材料的尺寸小于量子隧穿的临界尺寸时，电子就能够“穿过”它面前的“障碍物”从而使得栅极失去调控能力，而硅的临界尺寸为5纳米左右，这就是硅晶体管无法小于5纳米的原因。

透射电子显微镜(TEM)得到的晶体管截面图

但二硫化钼具有和硅不同的晶格结构，这导致其导电性较之硅要差，电子在二硫化钼中看起来更“重”一些。再者，对原子级厚度(约0.65纳米)的二硫化钼薄片的测量显示其具有更低的介电常数，这意味着它在同样的电场中贮存电子的能力更强。综合以上两点的影响，电子在二硫化钼中更不容易发生隧穿，也就是其临界尺寸要更小一些，因此用二硫化钼制作的晶体管尺寸可以达到1纳米。

一旦选定好二硫化钼作为半导体材料，接下来要做的就是构建栅极。要做出一个1纳米宽的栅极可不是件容易事，传统的光刻技术不适用于如此小的尺度，因此研究人员选择了碳纳米管——一种直径1纳米左右的空心圆柱——用作栅极。

在制作完成后他们对这个二硫化钼晶体管作了电输运性质的测量，结果显示用碳纳米管做成的栅极能够很好地调控电流。

 “这是世界上最短的晶体管”基维说道，“然而目前这还只是一个概念产品，我们还没有将其封装到芯片上，也没有重复测试亿万次（以验证稳定性和寿命）；同时我们也无法消除设备的寄生电阻，这需要运用自对准封装技术。虽然这个晶体管目前还不能投入应用，但它仍然具有里程碑式的意义因为我们终于打破了传统硅晶体管5纳米的尺寸限制，摩尔定律看来还能再用几年。”

编辑：宋杨

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

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