勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員使用新材料,將電晶體的製程從 14 納米縮減到了 1 納米,相關論文已在《科學》發表。這一研究展示了目前世界上最小的電晶體,推翻了此前認為無法製作出小於 5 納米柵極的看法。但是,這仍然只是一種概念證明,距離切實可用的產品還有很長的距離。摩爾定律仍然面臨終結的威脅,但未來半導體廠商可以使用類似技術增強晶片的計算力。
過去十年,工程師一直在挑戰縮小集成電路元件尺寸的極限。儘管他們知道物理定律為傳統半導體的電晶體柵極線寬定了一個5納米的閾值,大約是現在市面上的高端20納米柵極電晶體的1/4。現在,這個定律可能要被打破,或至少受到挑戰。
使用納米碳管和 MoS2,將電晶體製程縮減到 1 納米
勞倫斯伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)由 Ali Javey 帶領的研究團隊就正在挑戰該物理定律,他們開發了一種新型電晶體,其柵極線寬只有1納米。作為對比,人類的頭髮絲寬度大約是50000納米。
「我們造出了目前為止已知的最小電晶體。」Javey說,他是伯克利實驗室材料科學部電子材料項目的主要負責人。「柵極線寬可以定義電晶體的尺寸。我們展示的1納米柵極電晶體,表明利用適當的材料,在縮小電子元件尺寸上存在更大的空間。」
這項技術的關鍵是使用碳納米管和二硫化鉬(MoS2),後者是一種汽車配件店常見的發動機潤滑劑。MoS2是一族廣泛用於LED管、雷射、納米級電晶體、太陽能電池等的具有很大潛力的材料。
二硫化鉬通道和1納米碳納米管柵極的示意圖。圖源:Sujay Desai/Berbeley Lab
研究結果發表於10月7日號《科學》雜誌。英特爾聯合創始人戈登·摩爾(Gordon Moore)曾預測,電晶體的集成電路密度每兩年將翻一番(摩爾定律),讓筆記本、手機、電視和其他電子產品的性能提高。
這項研究的第一作者 Sujay Desai 表示:「半導體行業一直認為,任何線寬小於5納米的柵極都無法工作,因此小於5納米的柵極甚至沒有被考慮過。我們的研究證明了,小於5納米柵極的可能性。用MoS2取代原來的矽材料,我們可以製造出線寬只有1納米的柵極,並使其起到開關作用。」
讓電晶體突破 5 納米柵極限制
電晶體包含三極:源極、漏極和柵極。電流從源極流到漏極,流動過程被柵極控制,柵極會根據施加的電壓選擇開或者關。
矽和 MoS2 都有一個晶體晶格結構,但是與 MoS2 相比,從矽中流過的電子會更加輕盈,遇到的阻礙也相對更少。當柵極在 5 納米以上時,這是一個好處。但是,在這個長度之下,就會發生一個量子力學中的現象,叫隧道效應,進而導致電子從源極流向漏極的過程中,柵極電阻不能防止電流的強行通過。
電晶體切面的透射電子顯微鏡圖像。圖片顯示了1納米的碳納米管柵極,以及被當做絕緣體的二氧化鋯所分隔的二硫化鉬半導體。圖片來自: Qingxiao Wang,德州大學。
「這意味著我們不能關閉這一電晶體」,Desai 說,「電流是失去控制的」。由於通過MoS2 的電流更「重」,它們的流動可以通過更短的柵極長度進行控制。MoS2 還可以縮減到原子級別的薄片,大約 0.65 納米厚。此外,它還擁有更低的介電常數,這一指標反映的是材料儲存電場中能源的能力。這兩個屬性,加上電子質量,有助於在柵極的長度減小到1納米時,提升對電晶體內電流流動的控制。
一旦他們選定MoS2 作為半導體材料,下一步就應該是建造柵極。結果證明,建造 1 納米的結構是一個不小的成就。傳統的光刻技術在這一比例下不能發揮良好作用,所以研究者轉向了碳納米管,這種空心圓柱管的直徑同樣小到 1 納米。