【科研突破】全球最小晶體管出爐，體積只有1納米

一隊來自美國國家實驗室的團隊要打破一直為晶體管體積定下限制的物理定律了。

這隊美國能源部的勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory，簡稱伯克利國家實驗室）的科研人員於6日發出新聞稿，宣佈他們開發出體積只有1納米的晶體管（舊有限制為5納米），相當於人類毛髮的5000分之一。

Photo from Berkeley Lab

主領研究的科學家Ali Javey表示「晶體管的柵極長度（gate length）被認為是晶體管的一個決定性尺寸，而我們的1納米柵極晶體管則證明了我們還是有很多空間去縮小電子儀器。」

據悉，製造出1納米晶體管的關鍵在於活用碳纳米管（carbon nanotubes）以及二硫化钼（molybdenum disulfide，MoS2）。二硫化钼是一種隨便都可以買到引擎潤滑劑。二硫化钼更是LED、激光裝置、納米晶體管等裝置的重要物料。

Photo from Berkeley Lab

晶體管一般由三個段組成：源極（Source）、閘（柵）極（Gate）和汲極（Drain）。電流會由源極去到汲極，而整個過程由中向柵極施加電壓的話則能夠改變源極與汲極之間的阻抗，從而控制源極和汲極之間的電流。晶體管之中的矽膠和MoS2則一同擁有一個晶格結構（crystalline lattice structure），但相比之下，矽膠中的電流就比MoS2輕、遇上的阻力比較少。當柵極有5納米或更長時，這是一件好事。但當柵極的長度不達5納米時，一個被稱為穿隧效應的量子力學效應就會產生，而柵極不能再控制電流從源極去到汲極。這也意味著人員不能關閉晶體管 — 因為電子（electron）已經失去了控制。

由於MoS2中的電子是較重的，它們的流動可以由較小的柵極長度所控制。MoS2的厚度更可以透過較低的介電質被調低至0.65納米。這兩個特性再加上電子的體積（mass）就可以在柵極被調至1納米時改善晶體管内的電流控制。

Photo from Berkeley Lab

MoS2一旦被決定為半導體物料，就是時候建造這個柵極。建造1納米結構其實不是什麽容易事。在1納米這個前提之下，傳統微影技術（lithography）是不太適用的。於是研究人員就轉用了碳納米管。人員隨後證實了利用碳納米管所製成的MoS2晶體管能在這個體積下有效控制電子的流動。

Javey更指出，這是最短的晶體管。雖然已經擁有了這個技術，但這只是證明了一個概念的可行性。Javey續稱，「我們尚未把這個晶體管放進晶片内，更未經過無數的實驗。我們更未開發出自我對準的製作方案去減低一起上的寄生電阻（parasitic resistance）。」 縱然研究人員的成果有著很多限制，但這證明了日後的發展不再局限於5納米柵極的限制，為日後發展打開了新的局面。

研究由美國能源部資助，有關成果現於學術期刊Science上刊登。

資料來源：Berkeley Lab