1nm以下晶体管是怎么实现的？-

清华大学在3月10号的《自然》杂志上发表了最新的成果。研究人员使用二维材料，在硅片上加工出了迄今为止栅极长度最小的晶体管——只有0.34纳米。

首先来解释一下“栅极”。在晶体管里，栅极是负责控制整个结构开关的最关键部位。栅极长度越小，晶体管就能变得越小，所以栅极长度成为衡量晶体管大小最重要的指标。业界说的5nm、3nm工艺，就是指栅极长度。不过，在2010年以后，大部分半导体代工厂号称的多少纳米的工艺，已经不严格对应实际的栅极长度了，而只是工业上一个习惯说法。比如IBM在2021年发布的2nm工艺，实际的栅极长度差不多是12nm。目前市面上比较常见的7nm、5nm工艺，栅极长度差不多也都在10nm这个量级。这倒也不能怪代工厂虚标，而是真要加工几个纳米长度的栅极结构，确实太难做到了。

那么，在清华大学发布的这篇论文里，栅极长度只有难以置信的0.34纳米。它是怎么实现的呢？这就要说到“二维材料”。“二维材料”的概念，是跟传统的“三维材料”相对应的。我们今天使用的大部分东西都是由三维材料组成的，也就是由一大堆原子堆砌成的立体结构。比如5nm晶体管，虽然很小，但仍然属于三维材料，它的栅极的长宽高，有几十到几百个硅原子。如果想进一步缩小栅极的尺寸，最极限的思路就是“降维打击”。把栅极的三维结构拍扁成二维，让它变成一个平面网格，只有一层原子的厚度，也就是零点几个纳米的样子。如果把这一层原子当作晶体管的栅极，那这零点几个纳米，差不多也就是栅极长度的物理界限。这也就是清华大学这篇论文的思路。

研究人员在硅片上使用了两种二维材料，分别是石墨烯和二硫化钼。这两种材料的电学特性，和现在硅基芯片的兼容性非常好，是半导体领域的热门材料。

在这篇论文里，研究人员把晶体管设计成了一种台阶结构。简单来说，就是由硅基组成一个台阶，把二硫化钼薄膜像地毯一样，铺到台阶的上下层，地毯的上层和下层分别对应着晶体管开关的两端。而单层石墨烯，则是插在了台阶结构的中间，充当晶体管的栅极。给这层石墨烯施加电压，就可以控制台阶上层和下层之间的导通和关闭。由于这个控制电压是从石墨烯的边缘释放的，在这个位置上只有一层碳原子，厚度大概是0.34纳米——于是，这篇论文就实现了目前世界上栅极长度最小的晶体管结构。这也达到了栅极长度的物理极限，因为栅极最少也得包含一层原子嘛。

这项研究的最大意义，其实是打开了制造电子器件的一个新思路——从三维材料到二维材料。在这个全新的芯片研发领域中，中国的研究团队冲在世界最前列。从这个思路出发，中国科学家也许能够在1nm以下的下一代半导体芯片中，实现弯道超车。