来源：机器之心 本文约1800字，建议阅读8分钟 晶体管栅极开关等效尺寸不同。从 20 世纪 50 自20世纪集成电路问世以来，硅晶体管逐渐像摩尔定律预测的那样减少。微芯片上的晶体管越来越多，计算能力也越来越高。
然而，近年来，晶体管的尺寸正在迅速接近极限。栅极的长度很快就不会缩小，摩尔定律即将结束「唱衰」之音在芯片行业泛起。
在所有晶体管中，电流从源极流向泄漏极，由栅极控制，栅极根据施加的电压打开和关闭。因此，栅极的长度是晶体管尺寸的关键标志。 5 nm 由于隧穿效应(量子物理现象)，硅不再能够控制电子从源极到漏极的流动。
最近，科学家们开始探索下一代电子产品的二维材料，包括由单层碳原子组成的石墨烯和由两层硫原子中间夹一层钼原子组成的二硫化钼（MoS例如，在 2016 2000年，科学家们用碳纳米管和二硫化钼制造了一个栅极长度 1 nm 晶体管，但这还不是极限。
近日，清华大学集成电路学院任天令教授团队在小型晶体管研究方面取得重大突破，首次实现了亚洲 1 晶体管长度极高，电学性能好。本研究以有亚为基础 1 垂直硫化钼晶体管纳米栅极长（Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths）》为题，最新一期刊登《Nature》杂志。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04323-3
论文通信作者是清华大学集成电路学院任天令教授和田和副教授，共同第一作者包括清华大学集成电路学院 2018 2019年博士生吴凡、田禾副教授 沈阳博士生，其他参与研究的作者包括清华大学集成电路学院 2020 侯展，硕士生，2018年 2022年硕士生任杰 华东师范大学通信授、华东师范大学通信与电子工程学院副教授孙亚宾。
「我们已经实现了世界上最小长度的晶体管，」任天令说。晶体管的栅极长度只有纳米宽的三分之一左右，相当于单层碳原子的厚度。
任天令教授
如果你想了解这个新设备，你可以想象楼梯的两个台阶，更高的台阶顶部是源极，更低的台阶顶部是泄漏极，两者都是由钛钯金属触点制成的。楼梯的横截面作为连接源极和泄漏极的电子通道，由二硫化钼制成。在横截面下是一层薄薄的电绝缘二氧化物。
图 1：亚 1 纳米栅长晶体管结构示意图。网格电极的亮点代表晶体管
在更高的台阶内，它是一个多层三明治结构。底层是由单层碳原子组成的石墨烯；它是一个覆盖氧化铝的铝块，几乎完全分离了石墨烯和二硫化钼，除了在更高台阶的垂直侧有一个薄的间隙。更高和更低的两级台阶都位于 5cm 硅片二氧化硅层。
研究团队巧妙地利用石墨烯薄膜的超薄单原子层厚度和优异的导电性作为栅极，通过石墨烯侧向电场控制垂直二硫化钼沟的开关，实现物理栅长的等效 0.34nm，与石墨烯层宽度相同。
本研究通过在石墨烯表面沉积金属铝并自然氧化，完成了石墨烯垂直电场的屏蔽，采用原子层沉积的二氧化氢作为单层二维二硫化钼膜作为网极介质和化学气相沉积的沟渠。具体的设备结构、工艺流程和完成图如下图所示：
图 2：亚 1 工艺流程、示意图、表征图、纳米栅长晶体管实物图。
「在未来，人们几乎不可能制造小于 0.34nm 网的极长，」任天令教授说。「这可能是摩尔定律的最后一个节点。」
2021 2000年，另一个研究小组公布了一种由二硫化钼制成的垂直晶体管，栅长为 0.65 nm。然而，清华大学的新工作进一步推动了栅极的尺寸限制「碳原子的厚度只有一层」，纳米电子学科学家纽约州立大学布法罗分校 Huamin Li 说。在很长一段时间内，很难打破这一记录。
在晶体管中，当施加电场时，栅极的开关状态通常有长度差异，但在更大范围内，这种效应通常不明显。在新装置中，当电压施加到栅极上并切换到关闭状态时，栅极的等效长度变成 4.54 纳米，这种差异可以证明是一种优势。
「在关闭状态下，电阻较高的长沟将有助于防止泄漏电流，」Li 说，「相反，在导通状态下，电阻小的短通道会提高导通状态下的电流密度。」
这项工作促进了摩尔定律的进一步发展 1 纳米级为二维薄膜在未来集成电路中的应用提供了参考。
未来，清华的研究人员计划用他们的新型晶体管创造更大规模的电路。任天令说：「下一个目标是制造 1-bit CPU。」然而，这一目标也充满了挑战。其中一个可能的挑战是制造更高质量、更大面积的二硫化钼，以及目前这种材料的高成本。
总而言之，「这项原型工作是继承的 FinFET 经过技术的发展，人类探索了晶体管垂直架构的新尝试，」Li 说，「希望这能激发更多的创造性想法，充分探索 2D 将摩尔定律推广到高性能节能纳米电子领域。」
参考链接：
https://spectrum.ieee.org/smallest-transistor-one-carbon-atom
https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/92075.htm
编辑：黄继彦