没有什么比摩尔定律的诡计更神奇的技术了。曾经放在你手掌中的电子元件早已变成原子，从我们的世界消失，在量子领域占据一席之地。
但我们现在正在克服这一趋势的苦涩界限。在本周发表在《自然》杂志上的一篇论文中，上海清华大学的科学家写道，他们已经构建了一个长度为 0.34 纳米 (nm) 或大约单个碳原子大小的石墨烯晶体管栅极。
栅极是一种开关晶体管的芯片组件，是衡量晶体管尺寸的关键指标。以前的研究已经将栅极长度推到了1 纳米以下。通过将栅极长度缩小到单个原子的大小，最新的工作设定了一个难以超越的新标记。 “在未来，人们几乎不可能制造小于 0.34 nm 的栅极长度，”该论文的资深作者 Tian-Ling Ren告诉IEEE Spectrum 。 “这可能是摩尔定律的最后一个节点。”
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晶体管有几个核心部件：源极、漏极、沟道和栅极。电流从源极流过通道，经过栅极，然后进入漏极。栅极根据施加在其上的电压来打开或关闭该电流。
极端晶体管栅极小型化的最新进展依赖于一些迷人的材料。例如，在 2016 年，研究人员使用碳纳米管（将单原子厚的碳片卷成圆柱体）和一种称为二硫化钼的二维材料来实现一纳米的栅极长度。硅是一种更好的半导体，因为电流在二硫化钼中遇到更大的电阻，但是当栅极长度低于 5 纳米时，电子会从硅晶体管的栅极泄漏。二硫化钼的天然抗性可防止这种泄漏在最微小的范围内。
在这项先前工作的基础上，最近研究中的研究人员还选择了二硫化钼作为他们的通道材料和碳基栅极。但是，它们看起来不是直径为一纳米的碳纳米管，而是看起来更小。展开纳米管，你会得到一张由碳原子制成的薄片，称为石墨烯。石墨烯具有各种有趣的特性，其中之一就是出色的导电性。石墨烯片的宽度和长度当然比纳米管大——但边缘只有一个碳原子厚。该团队巧妙地利用了这一特性。
首先，他们为基础结构铺设了一层硅。然后，使用一种称为化学气相沉积的石墨烯生产方法，他们在二氧化硅上铺上一层石墨烯，在石墨烯上铺上一层氧化铝。夹在石墨烯中间的氧化铝和二氧化硅充当绝缘体，有效地切断了其与晶体管其余部分的电气特性。然后，他们在夹层材料中蚀刻出一个台阶——与你家楼梯的形状相同——在这个过程中，暴露了台阶垂直壁中石墨烯片的边缘，从而形成了一个原子级薄的门。他们称这种结构为“侧壁晶体管”。
最后，在台阶上，团队铺设了一层氧化铪——在栅极和沟道之间增加一点空间——以及一层二硫化钼以形成沟道。然后他们添加了两个金属电极，一个在顶部，一个在底部，作为源极和漏极。
具有石墨烯栅极的侧壁晶体管。图片来源：Wu, F.、Tian, H.、Shen, Y. 等。栅极长度低于 1nm 的垂直 MoS2 晶体管。自然 603, 259–264 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41586-021-04323-3
至关重要的是，这项新技术不需要研究人员精确定位石墨烯来使门工作。这是使用碳纳米管的一大挑战——让它们准确地安放在需要它们的地方绝非易事。
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需要明确的是，这项工作是一个概念证明：研究人员没有有意义地扩展这种方法。制造少量晶体管与在芯片上制造数十亿个晶体管并完美地制造数十亿个用于笔记本电脑和智能手机的芯片不同。任正非还指出，像二硫化钼这样的二维材料仍然很昂贵，大规模制造高质量的材料是一个挑战。
在接下来的几年里，像环栅硅晶体管这样的新技术更有可能进入你的笔记本电脑或手机。此外，值得注意的是，摩尔定律的结果——计算机将继续以指数速度变得更强大和更便宜—— 也可以通过软件调整或架构变化来驱动，比如使用第三维将组件堆叠在一个之上其他。
尽管如此，这项研究确实探索并更好地定义了小型化的苦涩边缘，也许设定了一个可能多年不会被打破的下限。它还展示了一种巧妙的方法来利用芯片中二维材料最理想的特性。如果进一步完善，这种方法不依赖于组件的精确定位，而是依靠已经很常见的芯片制造技术，似乎确实具有一定的规模化潜力。
无论如何，在相对较短的几十年内将电子元件的尺寸从英寸缩小到原子仍然是科技界最巧妙的技巧之一。
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