摩爾定律終結了嗎?史上最小 1 nm 電晶體將為之續命

 

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《摩爾定律已死，半導體行業發展會停滯嗎？》、《摩爾定律這次真的到頭了！ 》、《存在 50 年的摩爾定律正在失靈？》……近年來，關於摩爾定律即將走向盡頭的報導簡直數不勝數，各方專家也紛紛發言表態，支持這一說法。如此看來，這一科技界的鐵律真的沒有繼續生存下去的空間了嗎？正當我們為之疑惑嘆息之時，計算技術界突然傳來了一個好消息：科學家已將電晶體製程從 14 nm縮減到了 1 nm！這樣，同樣體積的晶片上就能集成更多電晶體，摩爾定律有希望繼續它的傳奇預言！

這一巨大突破是由勞倫斯伯克利國家實驗室的一個團隊完成的。在阿里·加維（Ali Javey）的帶領下，他們開發出的新型電晶體柵極線寬只有1納米。（很難想像 1 nm到底有多小？以人類的髮絲作對比，後者寬度僅為約 5 萬納米。）

 

研究成果

計算機技術界長時間都遵循著摩爾定律，為什麼現在人們開始懷疑它不能持續下去了呢？根據物理定律，5 nm被認為是傳統半導體柵極線寬的極限，這大約是當前市面上高端 20 納米柵極電晶體的 1/4 。而如果電晶體太小，分布太集中，就可能會產生量子隧穿效應，這將為晶片製造商帶來嚴峻挑戰。

伯克力實驗室研究人員蘇傑伊-德賽(Sujay Desai)稱：「長期以來，半導體行業一直認為，任何小於5納米的柵極都不可能正常工作。因此，人們之前從未考慮過小於5納米的柵極。」

 

研究成果

但伯克利實驗室卻打破傳統界限，開發出了柵極僅有 1 nm 的電晶體。

維說：「我們開發出了目前已知最小的電晶體。柵極長度被用于衡量電晶體的規格，我們成功研製出      1 nm 柵極電晶體，這意味著只要所選擇的材料適當，當前的電子零部件還有較大縮減空間。 」

而德賽稱：「我們的研究成果表明，讓柵極低於 5 nm 並非不可能。一直以來，人們都是基於矽材料來縮小電子零部件的體積。但我們放棄了矽材料，選了二硫化鉬，結果開發出了只有 1 nm 的柵極。」

矽和二硫化鉬都有一個晶格結構，但與二硫化鉬相比，通過矽流動的電子更輕，遇到電阻更小。當柵極為5 nm 或更長時，矽材料能發揮它的優勢。但柵極長度低於 5 nm 時，就會出現了一種被稱為「隧道效應」的量子力學現象，從而阻止電流從源極流到漏極。

德賽解釋說：「這意味著我們無法關閉電晶體，電子完全失控了。」而通過二硫化鉬流動的電子更重，因此可以通過更短的柵極來控制。

研究成果

選定二硫化鉬作為半導體材料後，接下來就需要來建造柵極。但製造 1 nm 的結構並不是一件容易的事，傳統的光刻技術並不適用於這樣小的規模。最終，研究人員轉向了碳納米管——直徑僅為 1 nm 的空心圓柱管。

經研究人員測試顯示，採用碳納米管柵極的二硫化鉬電晶體能夠有效控制電子流動。加維說：「這項研究表明，我們的電晶體將不再局限於 5 nm 柵極。通過使用適當的半導體材料和設備架構，摩爾定律還會繼續長期生效。」

目前，這一研究還處在初級階段，《科學》雜誌已刊登該項研究成果。雖然這一研究有望大大提升計算機的計算能力，具有十分重要的指導意義，但是，現階段想要達到大規模量產恐怕還有些困難。畢竟， 在  14 nm 製程下，一個模具上就有超過 10 億個電晶體，而一下子縮小到 1 nm，晶片製造商們可能還需要一段時間來緩緩神。

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