1D导线可以缩小2D晶体管

Pohang University of Science and Technology

研究人员利用世界上最薄的一些导线作为栅极电极（控制晶体管开关的关键部件），制造出了微型晶体管。

研究人员没有使用硅或金属，而是用二硫化钼制造了这个栅极——这种半导体可能在未来几十年内取代硅（https://spectrum.ieee.org/2d-semiconductors-and-moores-law）。当两片错位的二硫化钼碎片相遇时，它们的边界会变成一根只有0.4纳米厚的导线，这远小于当今最先进CPU中最小的晶体管部件。这些研究人员主要来自韩国大田的基础科学研究所，他们将这种导线作为超小型晶体管的关键部件进行了集成。

这是第一次有人利用这些边界来制造晶体管。尽管他们的方法可能不会很快进入商业生产，但这一成就可能会鼓励研究人员进一步探索这些导线，并在未来几年内制造出更实用的晶体管。

二硫化钼是二维半导体的一个典型例子。今天使用的硅及其他半导体需要第三维度来正常工作。但正如其名字所示，二维半导体可以建造在平坦的层中（https://spectrum.ieee.org/tag/2d-semiconductors）。

石墨烯——由单层碳原子构成——可能是最著名的二维材料，但科学家和工程师们在二硫化钼（MoS₂）和类似的所谓过渡金属二硫化物方面也取得了令人难以置信的进展（https://spectrum.ieee.org/molybdenumdisulfide-2d-transistors-go-ballistic）。对于二硫化钼，其分子结构使其厚度仅为三个原子——约0.4纳米（https://spectrum.ieee.org/tag/transition-metal-dichalcogenides）。

当二硫化钼用于缩小晶体管的栅极长度时——即电荷载体分别进入和离开晶体管的源极和漏极之间的距离——它可能具有另一个关键优势。最先进的研究已经将硅的可能栅极长度推低至约5纳米（https://science.osti.gov/bes/Highlights/2017/BES-2017-04-c），但硅晶体管的栅极长度越短，当它应该关闭时，越容易发生漏电。而二硫化钼的较大带隙可能使其显著减少漏电现象。

当然，研究人员仍然没有建立起用亚纳米栅极长度制造二硫化钼晶体管的方法。一些实验室通过使用不同的材料作为栅极，已经制造出了带有薄栅极的二硫化钼晶体管，这些栅极由单层石墨烯的边缘或单个碳纳米管（本质上是卷成非常薄管状的石墨烯）制成。

基础科学研究所的研究人员想知道他们是否需要另一种材料，或者是否可以依赖二硫化钼本身的一个有趣特性。

当二硫化钼生长在蓝宝石（这是二维半导体常见的基底选择）上时，材料倾向于以两种可能的取向之一生长，每种取向彼此之间错开60度。如果你让一种取向的一片材料接触另一种取向的一片材料，这两片材料将在其边界处形成一根导线，就像两座错位的城市街道网格相遇时形成的一个尴尬角度的道路一样。

材料科学家已经知道这些边界导线有几年了（https://www.nature.com/articles/s41567-023-02250-w），称它们为镜像双晶界（MTBs）。据一种衡量标准，这些0.4纳米厚的MTBs是有史以来制造的最细的导线（https://www.nature.com/articles/s41565-024-01708-z）。

为了实现这一目标，研究人员首先使用了两片错位的二硫化钼碎片，中间有MTB导线（mirror twin boundaries）。在其上，他们放置了一层薄薄的氧化铝作为绝缘体。在此之上，他们又放置了另一层原子级薄的二硫化钼层，并在其上添加了源极和漏极电极。总的来说，他们使用这些超薄栅极电极制造了36个功能性场效应晶体管（FET）。

研究人员对他们的技术或类似技术有一天能够支持制造设备持乐观态度。“预计它将成为未来开发各种低功耗、高性能电子设备的关键技术，”基础科学研究所的研究员之一Jo Moon-Ho在一份声明中如此指出（https://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000738/selectBoardArticle.do?nttId=24873&pageIndex=1&searchCnd=&searchWrd=）。未来，研究人员可能能够通过更好地控制这些导线的特性来设计电子设备。

然而，斯坦福大学与MoS2合作的电气工程师Eric Pop（未参与此研究）对这种边界方法从实验室过渡到制造业的机会不那么乐观。Pop说：“我看不到这种用作栅极电极的方法会被工业采用。”他说：“栅极必须是被图案化到电路几何形状中的金属，否则工程师将失去控制栅极阈值电压的关键能力。”

此外，Pop指出，将二维半导体生长在蓝宝石上，如Moon和同事所做的那样，并不理想。一旦在蓝宝石上培养出二维材料，就必须将其费力地转移到硅晶圆上。相反，Pop表示，一个实用的二维半导体应该直接在诸如二氧化硅或硅之类的材料上生长。

尽管Pop有这些担忧，但他称这项研究是“好的科学工作”，特别有助于研究MTB的科学家。

Moon和他的同事们于7月3日在《自然纳米技术》（https://www.nature.com/articles/s41565-024-01706-1）上发表了他们的研究成果。

供稿：杨泓奕