突破極限！1nm電晶體成電子產品領域新一哥

出品：科普中國

製作：科創小新

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

過去幾十年間，我們身邊的電子產品隨著科技的發展發生著巨變：從笨重的大哥大到智慧型手機，從老式台式機到輕薄的筆記本，總的來說，電子產品的外觀愈發輕薄，功能愈發強勁。

其中最功不可沒的，就是構成電子產品的基礎元件：電晶體。

電晶體尺度的縮小，集成度的提升，是現代電子器件科技水平的標尺。

2016年最為新興的電晶體技術可以實現1納米（nm）的尺度，突破了之前預測的物理極限5nm。

納米是什麼概念呢？一根頭髮絲的直徑在3微米左右，一微米等於1000納米，1納米比一根頭髮絲還要細幾千倍。

什麼是電晶體？

或許你沒有想像過，你的手機中一片不及指甲蓋大小的晶片上竟然集成了數以千萬計的電晶體，這些電晶體像是隊列整齊、快速前進的士兵，用0和1的邏輯來實現了計算機最重要的存儲和控制的功能。

1947年，貝爾實驗室誕生了世界上首個電晶體，是用鍺（Ge）材料製成的。

電晶體是一種有邏輯功能的最基礎的電子器件，它的基本結構如下圖，主要包括柵極（Gate）、源極（Source）以及漏極（Drain）。

電流從源極流入漏極，而柵極像一道水閘一樣控制著電流的導通和斷開，從而實現了0和1的邏輯。

電流的流動也像水流一樣需要一個河道，在柵極和源極之間電流導通的通道叫做溝道，溝道寬度跟電晶體柵極最小寬度基本一致。

所以電晶體柵極的最小寬度是影響電晶體尺度的關鍵因素，被用來作為工藝尺寸的標準。

現今晶片的製造工藝常常用40nm、28nm、22nm、14nm、10nm、7nm來表示，比如Intel、三星、IBM、台積電等公司，都在為能夠領跑行業先進技術持續進行著技術創新。

近年Intel一直以其領先的14nm工藝技術成為行業領頭羊，而今年10月，三星宣布量產10nm晶片，台積電緊隨其後。

另一方面，隨著IBM公布了7nm的工藝測試晶片，更精微的晶片工藝競爭戰役的號角被吹響。

需要一提的是，這個製造工藝的數字，例如14nm指的不是電晶體的大小只有14nm，而是電晶體柵極的最小寬度。

要實現這麼高的集成度，企業一般採取的策略是通過光刻的手段，在一層層材料上像是雕刻家一樣去掉多餘的部分，刻蝕出我們需要的精細結構。

摩爾定律失效！

過去五十年間，電晶體尺度的縮小速度基本遵循著摩爾定律。

摩爾定律是指當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

直到2016年年初，全球半導體行業才正式宣布摩爾定律失效。

電晶體工藝尺度每縮小一次，都會讓晶片的性能、功耗發生劇變，繼而給我們使用的計算機、手機等電子產品的性能帶來顯而易見的進步。

1nm電晶體的技術：二硫化鉬與石墨烯

為了提升速度和每片晶片上的元件數量，溝道長度在不斷縮短，而短溝道效應隨之產生。

短溝道效應可能使得柵極這道閘門關不斷電流，電流的泄露會使得電晶體的性能變壞。

研究發現，當現在主流的矽（Si）電晶體的柵極寬度縮小到低於5nm，會出現嚴重的短溝道效應，所以5nm（有些地方說是7nm）被稱為柵極寬度物理極限。

為了突破這種極限，科研工作者們積極尋求著矽的替代品，其中，一些層狀半導體因具有均勻的單原子層厚度、較低的介電常數、更大的帶隙以及更重的有效載流子質量等特性得到了積極的研究，其中二硫化鉬（MoS2）和石墨烯都是代表。

2016年10月，加州大學伯克利分校和史丹福大學的學者在著名的《Science》雜誌上合作發表了一篇備受關注的論文，文中展示了一種物理長度1nm的二硫化鉬（MoS2）電晶體。

這種電晶體用單壁碳納米管作為柵極電極，被放置在氧化矽和氧化鋯的分介面上，而MoS2作為源極和漏極之間的溝道。

仿真結果顯示，其有效溝道長度在關狀態時約3.9nm，開狀態約1nm，所以被稱為1nm電晶體。

其中，單壁碳納米管（SWCNT）是什麼呢？我們知道，石墨烯是單層的碳原子排列而成的，把單原子層的石墨烯捲起來，就是碳納米管了。

而碳納米管剪開也就成了一片薄薄的石墨烯。

1nm電晶體雖然已經實現了，但是其工業價值還有待時間的檢驗。

在摩爾定律失效的現在，科學家追求的方向也在發生著改變。

他們不再將更小更快的電晶體作為主要目標，而是從全新的角度去改變我們日常使用的電子產品，從策略上看，例如從軟體層級的需要來改變硬體，從新興技術上看，例如現在方興未艾的量子計算機。

過去我們已經見證了電子產品的進步和飛速發展，未來我們的電腦、手機也可能會具備更為超乎想像的卓越性能。

參考文獻

[1] Desai S B, Madhvapathy S R, Sachid A B, et al. MoS2 transistors with 1-nanometer gate lengths[J]. Science, 2016, 354(6308): 99-102.

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