突破性研究發起新一輪電晶體微縮革命,有望為摩爾定律續命

2020-12-06 DeepTech深科技

摩爾定律統治了電晶體的發展50多年，目前電晶體的尺寸已經逐步逼近了物理極限。超過這個極限（小於3納米）漏電流便會大到不可忽視。近日，來自哥倫比亞大學工程學院的研究團隊合成了一種新型分子，這種新型結構可以防止漏電流的產生，從而有望使電晶體尺寸突破物理極限。

圖 | 新型單分子結構的電晶體，可以阻止漏電流的產生（黃色為電晶體的金電極）（圖源：Haixing Li/Columbia Engineering）

摩爾定律統治了電晶體的發展50多年，目前電晶體的尺寸已經逐步逼近了物理極限。超過這個極限（小於3納米）漏電流便會大到不可忽視。近日，來自哥倫比亞大學工程學院的研究團隊合成了一種新型分子，這種新型結構可以防止漏電流的產生，從而有望使電晶體尺寸突破物理極限。

在量子力學中，具有一定能量的電子可以以一定的概率穿過位勢壘，儘管這個位勢壘具有更高的能量。這個現象就是「量子隧穿效應」。電晶體之間的真空具有很高的勢壘，在一定程度上防止了電子的隧穿。但是在當兩個電晶體的距離接近到物理極限時，即使是真空也無法阻擋電子穿過，此時便會產生漏電流。

圖 | 量子隧穿效應：在粒子穿越高位勢壘阻礙的過程中，振幅不會立刻變為零，而會呈指數衰變，因此，粒子有一定的概率抵達位勢壘的另一邊。 （圖源：Wikipedia）

科學家新合成的分子不再試圖通過構築高高的壁壘來阻止電子穿過（因為電子的波函數的特性，只要距離足夠近，再高的勢壘電子也會有一定的概率通過），而是另闢蹊徑，讓電子波函數互相抵消，這樣雖然會有電子在兩個電晶體之間「穿過」，但是波函數疊加後，等效的電流為零，從而阻止了漏電流的產生。

這種矽基分子的設計靈感來源於「量子幹涉」。量子世界中的一切粒子都可以用波函數來表示，波函數代表粒子出現於某一個位置的概率(嚴格來講是波函數的平方)。和經典力學世界的波一樣，波函數也可以發生幹涉。當兩列波函數的相位相差波長的整數倍時，就產生的「相長幹涉」，合成的新波函數振幅得到了加強；而當它們的相位相差半波長的奇數倍時，就產生了「相消幹涉」，合成波的振幅為零。該種分子正是採用了「量子相消幹涉」，來作為阻隔漏電流的機制：電子疊加態波函數為零。從經典力學上講，電子不可能存在於這個區域。

圖 | 相長幹涉（左）：波峰對波峰，振幅加倍；相消幹涉（右）：波峰對波谷，振幅抵消。

「電晶體日益發展，要突破物理極限，傳統方法已經不適用，我們必須採用創新方法製造電晶體。我們設計的分子便是傳統設備上的創新設計的一個例子。」哥倫比亞大學工程物理學家Latha接受採訪時說。隨著電晶體的微縮接近3納米這個極限，新的設計工藝可能即將出現，而這項研究引領了當今電晶體的縮小化的研究，有望為延續50年的摩爾定律續命。

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