哑铃构型破局，二维纳米带实现极致线宽微缩

晶体管是基于半导体的微型开关，用于控制电流通断，是电脑、智能手机、可穿戴设备、传感器与智能家电等所有电子设备的核心元器件。过去数十年，电子工程师持续攻关，在缩小晶体管尺寸的同时提升其运行速度与综合性能。

二维半导体是实现晶体管微型化极具前景的技术路线，这类材料仅有单层或几层原子厚度。尽管潜力巨大，目前绝大多数高性能二维晶体管仍采用相对宽的沟道；当沟道大幅缩窄后器件性能能否维持，此前一直没有明确结论。

斯坦福大学研究团队近期研发出全新紧凑型晶体管，器件以单层二维半导体窄条（纳米带）为核心。相关成果发表于《自然・纳米技术》，测试显示该微型器件性能表现优异，超越以往采用同种二维材料制备的纳米带晶体管。

论文通讯资深作者Eric Pop在接受采访时表示：“我们希望从各个维度缩小二维晶体管，包括沟道宽度。单层二维半导体天然具备亚纳米级超薄沟道，但要具备产业实用价值，器件的沟道长度与宽度都必须做到极小尺寸。”

该研究重点攻克如何在大幅缩窄晶体管宽度的同时，不对器件性能造成明显损耗。论文共同一作Tara Peña称：“过往大多学术研究聚焦二维沟道的厚度与长度，这也促使我们系统性研究这类材料与器件的宽度微缩规律。”

哑铃型二维半导体晶体管

为避免制备过程中纳米带出现层间剥离、脱落问题，研究团队提出全新图形化方案，将二维半导体刻蚀成哑铃状结构，在器件两端较宽区域制备金属接触电极作为固定锚点。

Pop表示：“借助该方案，我们可以针对多种二维半导体，以哑铃结构的中间窄带作为沟道开展大量测试。未来工业化落地时，还需开发更紧凑的纳米带固定方案。”

依托这套工艺，团队采用三种不同单层二维半导体（二硫化钼MoS₂、二硫化钨WS₂、二硒化钨WSe₂）制备纳米带晶体管。电学测试结果表明，三种材料制成的窄纳米带沟道均具备优良晶体管特性。

Pop解释：“关键突破在于，我们这套纳米加工工艺可实现约25纳米极小线宽，器件依旧工作稳定，同时覆盖n型导电（MoS₂、WS₂）与p型导电（WSe₂）两种类型。

这说明材料边缘并不会从根本上限制器件性能，边缘工艺仍有优化空间。其中WS₂晶体管的电流密度达到以往同类器件百倍左右，一部分得益于我们优化后的接触电极结构。”

团队对新器件开展测试时意外发现，相较于同种二维材料制成的宽沟道晶体管，窄沟道器件并未出现关态漏电流升高的问题。这意味着沟道缩窄后，纳米带边缘并未引发额外漏电，对低功耗运行至关重要。

论文共同一作Anton Persson介绍：“想要实现极窄沟道，分步刻蚀工艺是关键。我们摒弃传统单步刻蚀，采用双向分步刻蚀，从沟道两侧分别加工，能够得到比传统工艺更窄的导电沟道。”

该批晶体管开态电流表现优异：n型MoS₂可达560微安/微米，n型WS₂为420微安/微米，p型WSe₂为130微安/微米，三项指标均优于绝大多数已发表的二维纳米带晶体管。

Persson说道：“实验证明，即便晶体管沟道做到极窄，性能也未出现断崖式衰减。我们原本担心刻蚀形成的材料边缘会引发各类缺陷问题，但窄沟道器件性能与宽沟道样品持平甚至更优。这证明单层二维半导体沟道在宽度微缩时具备良好耐受性。”

后续研究方向

本次提出的器件结构与制备工艺仍有优化空间，后续可拓展用于制备其他二维半导体电子元器件，该研究也验证了这套方案制造超微型器件的可行性。

Peña表示：“哑铃型设计与分步刻蚀两大核心工艺，分别解决了纳米带附着稳定性、窄沟道制备两大难题。我们同时发现，降低电子束剂量、减少制备过程中的聚合物污染，能让二维纳米带边缘形貌更洁净。希望本研究能给学术界与产业界提供思路，针对性消除各类影响二维器件性能的无序缺陷源。”

Eric Pop团队下一步计划深入验证这套图形化与结构设计方案，同时研发更低工作电压、边缘质量更佳、接触电极尺寸更小的纳米带器件。

Pop解释：“本次实验中器件在1伏漏源电压下即可实现优良性能；想要替代硅纳米片晶体管，必须在0.5伏漏压、栅压条件下仍保持稳定性能，这是后续攻关重点。”

团队还计划探明宽度微缩的极限：沟道缩小至多少纳米区间后，晶体管性能会开始明显衰退。Persson称：“随着沟道持续收窄，器件性能最终一定会下滑，但目前临界宽度尚不明确。如果二维半导体要真正对标下一代硅纳米片器件，探明10纳米以下窄沟道的性能变化规律十分关键。”

Peña补充道：“各类应力、缺陷对超窄二维纳米带的影响机制也亟待厘清，这需要借助高精度材料表征手段开展系统研究。”