1纳米(1nm)晶体管打破了过去业内普遍认为的5nm晶体管物理限制，长久以来主宰半导体市场的摩尔定律正在遭遇挑战。
美国能源署(DOE)旗下劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人员称已开发出1纳米(1nm)晶体管，打破了过去业内普遍认为的5nm晶体管物理限制，长久以来主宰
半导体市场的摩尔定律正在遭遇挑战。
1nm晶体管由劳伦斯伯克利国家实验室的科学家Ali Javey所带领的研究团队开发。长久以来，晶体管栅极长度一直被认为很难突破物理限制，但我们展示的1nm晶体管选择了适当的材料，将使未来的电子产品有更多的微缩空间。
1nm晶体管由碳纳米管和二硫化钼(MoS2)，这是一种常见于汽车配件商店的发动机润滑油。二硫化钼在发光二极管(LED)、激光(Laser)、纳米晶体管，太阳能电池等领域中有着巨大应用潜力。
具有二氧化钼通道和1nm碳纳米管栅极的晶体管原理图。（图片来源：Sujay Desai / UC Berkeley）
参与这项研究的科学家Sujay Desai指出，半导体行业一直认为尺寸小于5nm的栅极就无法运作了，因而不考虑5nm以下的工艺尺寸。而这次的研究则表明小于5nm栅极的研究不应被忽视。“产业界一直在设法挤出硅的最后一点效能，通过将硅换成二硫化钼，我们可以用一个长度仅1nm的栅极制作晶体管，并使其具有开关功能。”
当“电子失去控制”
该晶体管由三部份组成：一个源极，一个漏极，和一个栅极。电流从源极流到漏极，由栅极控制电流，并响应施加的电压而开启或关闭。
硅和二硫化钼都具有晶格结构，但与二硫化钼相比，流过硅的电子较轻且阻力较小。当栅极在5nm或更大尺寸时这是一个好消息。但在5nm以下便会面临称之为穿隧效应的量子物理现象，栅极障壁无法再让电流从源极流到漏极。
“这意味着我们不能关闭晶体管，”Desai说。“电子已经失去控制。”
由于流经MoS2电子更重，因而可用较小的栅极来控制电流。二硫化钼还可以微缩到原子级，约0.65nm厚，并具有较低的介电常数，具有在电场中储存能量的能力。
晶体管的横截面。它显示了由绝缘体二氧化锆分离的1nm碳纳米管栅极及二硫化钼。（图片来源：Qingxiao Wang / UT Dallas）
选用二硫化钼做为半导体材料后，研究人员开始制作栅极，但迄今业内并没有适用1nm规模的光刻技术，因而研究人员采用了直径仅有1nm的空心圆柱碳纳米管。对器件进行的电性能测量表明，碳纳米管能有效控制电子的流动。
Javey表示，这项研究证实了其团队的概念。他们尚未将晶体管封装到芯片上。但他也指出，未来晶体管将不再受限于5nm栅极，通过改变半导体材料和结构，摩尔定律还会持续下去。
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