“摩爾定律”[1]成功預(yù)測了半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，然而隨著傳統(tǒng)的硅晶體管的尺寸接近理論極限——柵極長度5納米（低于此極限將產(chǎn)生“短溝道效應(yīng)”，晶體管就會失效），集成電路上元器件數(shù)目的增加速度開始放緩。要知道晶體管的最小尺寸越小，單位面積的芯片（比如電腦和智能手機(jī)上的CPU）就能包括更多晶體管，芯片性能就越強(qiáng)而價格就越便宜。為了打破這一桎梏，科學(xué)家們開始尋找新的材料，試圖代替接近理論極限的“硅”。
? ? ? ? 近日，加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）的Ali Javey教授課題組在Science發(fā)表文章，制備出柵極長度僅有“1納米”的晶體管，這種晶體管采用二硫化鉬（MoS2）材料，使用單壁碳納米管作柵極電極。（MoS2 transistors with 1-nanometer gate lengths. Science, 2016, 354, 99-102, DOI: 10.1126/science.aah4698）
傳統(tǒng)硅（Si）晶體管被認(rèn)為柵極長度不能低于臨界尺寸5nm，否則會出現(xiàn)嚴(yán)重的短溝道效應(yīng)，導(dǎo)致源極-漏極間的量子隧穿效應(yīng)，電子就能夠“穿過”它面前的“障礙物”從而使得柵極失去靜電調(diào)控能力。因此小于臨界尺寸的晶體管無法處于關(guān)閉狀態(tài)，不能形成有效的門電路。
? ? ? ? 想要制備出更小的晶體管，就需要尋找層狀的半導(dǎo)體替代材料，并使其具有更低的介電常數(shù)、較大的帶隙和較重的有效載流子質(zhì)量。研究者選中了單壁碳納米管做柵極電極，源極和漏極之間使用單層MoS2。通過研究過渡金屬硫化物的能帶結(jié)構(gòu)，單層或幾層MoS2已被證明優(yōu)于Si材料并且不受其在晶體管中5nm的最低條件限制，其隧穿漏電流比Si小兩個數(shù)量級以上。
通過實驗，器件具有優(yōu)異的開關(guān)特性，開關(guān)電流比約為106，并且其亞閾值搖擺幅度只有65 mV/dec。仿真結(jié)果顯示該晶體管的有效溝道長度在關(guān)閉狀態(tài)時約為3.9納米，打開狀態(tài)時約為1納米。
當(dāng)然，這一研究依然是處于實驗室階段，尚未實現(xiàn)批量生產(chǎn)并轉(zhuǎn)移至實際芯片上。不過，研究者的工作讓突破傳統(tǒng)硅晶體管物理極限變的可能，通過新材料的應(yīng)用，晶體管不會停步在5納米，
