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最小1纳米晶体管诞生,原来是发动机润滑剂立功

打破物理极限,最小1纳米晶体管诞生,其中的关键是使用碳纳米管和二硫化钼,后者是一种在汽车配件店里常见的发动机润滑剂……

据外媒报道,美国劳伦斯伯克利国家实验室的一支团队开发出了到目前为止尺寸最小的晶体管。这种晶体管的栅极线宽可缩小至1纳米。

过去多年中,许多工程师都在研究如何缩小集成电路中的元件尺寸。根据物理定律,5纳米被认为是传统半导体栅极线宽的极限,这大约是当前市面上高端20纳米栅极晶体管的1/4。
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劳伦斯伯克利国家实验室由阿里·加维(Ali Javey)带领的一支团队开发出了一种新型晶体管,其栅极线宽只有1纳米。作为对比,人类的发丝宽度约为5万纳米。

加维表示:“我们开发了到目前为止已报告的最小的晶体管。栅极线宽可以定义晶体管的尺寸。我们展示了一种1纳米栅极的晶体管。利用适当的材料。电子元件的尺寸还有很大的优化空间。”

这其中的关键是使用碳纳米管和二硫化钼,后者是一种在汽车配件店里常见的发动机润滑剂。

这项研究的首席作者苏杰伊·德赛伊(Sujay Desai)表示:“半导体行业一直认为,任何线宽小于5纳米的栅极都无法工作,因此研究者甚至没有考虑过这种可能性。通过用二硫化钼来取代硅,我们可以制造出线宽只有1纳米的栅极,并使其起到开关的作用。”

晶体管结构中包括三极,即源极、漏极和栅极。电流从源极流向漏极,并受到栅极的控制。通过施加不同的电压,栅极可以起到开关的效果。
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硅和二硫化钼都具备晶格结构,但相对于二硫化钼,电子在流经硅材料时阻抗更小。当栅极线宽超过5纳米时,这是硅材料的优势。然而,如果线宽小于5纳米,我们将会看到量子隧穿效应,栅极势垒将无法阻止电子从源极流向漏极。德赛伊表示:“这意味着,我们无法关闭晶体管。电子将失控。”

由于二硫化钼的阻抗更高,因此在栅极线宽较小的情况下,电子流动仍可以受控。二硫化钼材料的厚度还可以进一步缩小至原子水平,即约0.65纳米,从而带来更小的介电常数。介电常数反映了材料在电场中保存能量的性能。在栅极线宽缩小至1纳米时,这些特性将有助于优化对晶体管内电流的控制。

这一研究成果已发表在《科学》杂志上。加维表示:“这项成果表明,晶体管栅极不再被局限至大于5纳米。通过适当的半导体材料工程和设备架构,摩尔定律将继续生效一段时间。”

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