极致微缩！25纳米沟道晶体管，宽度仅为发丝直径三千分之一

现代计算机芯片内置数十亿颗硅基晶体管，这类微型电子开关负责信息的运算、存储与传输。数十年来，缩小晶体管尺寸始终是提升电子设备运算速度、性能并降低功耗的核心手段。

但持续微缩晶体管的难度正不断攀升，先进晶体管的关键尺寸已经缩小至仅数纳米。在这一尺度下，作为当代电子产业核心材料的硅，开始触及自身固有的物理极限。

目前最具发展潜力的替代材料，是原子级超薄的二维半导体。这类材料仅单原子层厚度，凭借优异的电控特性，可用于制造低功耗电子器件。但业界一直存在一个关键疑问：在未来芯片技术所需的极致微缩尺寸下，它们能否依旧保持优良性能？

发表于《Nature Nanotechnology》的全新研究论文《单层过渡金属二硫族化合物纳米带晶体管的尺寸微缩研究》给出了乐观答案。研究团队利用二维半导体制备出沟道宽度仅 25 纳米的晶体管，该宽度约为人类头发丝直径的三千分之一。尽管器件尺寸极小，但其电学性能与沟道宽度更大的二维半导体晶体管持平。

纳米加工制备与电学特性表征工作在美国斯坦福大学完成，后续数据分析由瑞典查尔姆斯理工大学开展。

图为计算机渲染的二硫化钼（MoS₂）纳米带晶体管示意图，二硫化钼是本次研究采用的二维半导体材料之一。蓝色球体代表钼原子，黄色球体代表硫原子；刻蚀边缘处缺失的硫原子与红色氧原子，代表缩小晶体管沟道时极易出现的原子级边缘缺陷，也是领域重点关注的难题。器件两侧灰色金属触点分别为源极与漏极，连接中间导电沟道；底部紫色层为用于调控晶体管开关的栅极结构。该研究证实，这类原子级超薄导电沟道可缩小至 25 纳米，同时维持稳定可控的晶体管开关特性。

瑞典查尔姆斯理工大学助理教授 Anton Persson 为本研究共同负责人，他表示：“这是目前二维半导体领域已实现的尺寸最纤细的高性能晶体管之一。最令人振奋、甚至超出我们预期的是，即便微缩至适配未来工业量产的尺寸，晶体管依旧能稳定工作。这一直是该领域悬而未决的核心不确定性。”

全新设计与制造工艺攻克关键瓶颈

二维半导体极致轻薄的特性，使其成为下一代电子器件的理想材料，但此前科研人员始终难以在缩小沟道宽度的同时不损耗器件性能。晶体管沟道越窄，边缘结构对整体性能的影响就越大，业界此前担忧边缘缺陷与刻蚀损伤会大幅限制器件表现。本次研究表明，该性能衰减问题并没有此前预想的严重。

研究人员采用三种不同的原子级超薄二维半导体材料制备纳米带晶体管，三种材料制成的窄沟道晶体管均具备稳定的开关特性，性能与宽沟道器件相当。

Anton Persson 介绍：“二硫化钨基二维晶体管表现尤为突出，依托材料纯度提升与金属触点工艺优化，其电流密度相比过往研究成果提升超百倍。”

这项突破源于创新器件结构设计与先进纳米加工工艺的结合。团队研发出所谓 “狗骨型” 结构：晶体管中间导电沟道极窄，电极接触区域加宽，以此固定二维材料薄膜。

斯坦福大学电气工程博士后、论文共同一作 Tara Peña 表示：“优化后的纳米加工工艺是取得本次成果的关键。我们希望其他科研团队能够借鉴这套方法，持续推进适配工业化尺寸的二维器件优化研发。”

助力打造更低功耗的计算硬件

本次研究成果进一步印证，原子级超薄二维半导体有望成为下一代电子芯片的核心基础材料。

Anton Persson 称：“原子级超薄二维半导体拥有诸多独特优异特性，为我们开辟了突破现有硅基电子体系局限的全新研发方向。长期来看，基于这类材料的技术有望打造性能更强、功耗更低的电子产品。”

距离该技术实现商业化量产，仍存在大量亟待攻克的难题。斯坦福大学教授、论文通讯作者 Eric Pop 表示：“本次研究成果并不意味着原子级超薄二维半导体短期内就能替代硅基材料，但它证明，制约晶体管尺寸微缩的一大核心难题，其负面影响远低于行业此前预判。”