世界最小晶體管有多小

瞿立建

手機(jī)、平板電腦、電話手表……這些電子設(shè)備的核心元件都是芯片，而芯片的核心元件則是晶體管。芯片中容納的晶體管越多，電子設(shè)備的功能就越強(qiáng)大。

摩爾定律發(fā)展受阻

在電子行業(yè)，有一個摩爾定律，即芯片上容納的晶體管數(shù)目約每隔兩年增加1倍。芯片行業(yè)大致按照摩爾定律發(fā)展了半個多世紀(jì)，并驅(qū)動了一系列科技創(chuàng)新。個人電腦、互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)等的出現(xiàn)和發(fā)展，都繞不開摩爾定律。

然而，最近10年，摩爾定律開始顯現(xiàn)疲態(tài)，表現(xiàn)得難以為繼了。因為晶體管已經(jīng)做得很小了，接近理論極限，即柵極長度為5納米。5納米是多大呢？大約是人頭發(fā)直徑的萬分之一。

柵極是晶體管里負(fù)責(zé)控制整個結(jié)構(gòu)開關(guān)的最關(guān)鍵部位。柵極長度越小，晶體管就能做得越小。因此，柵極長度成為衡量晶體管大小最重要的指標(biāo)。

5納米這個理論極限是對于制造芯片的常用材料硅來說的，如果用其他材料制造芯片，還是有可能突破這個極限，造出更小的晶體管，為摩爾定律“續(xù)命”。

世界最小晶體管誕生

近年來，科學(xué)家探索用二維材料來制造芯片。這里的“維”是空間維度的簡稱。零維是一個點(diǎn)，一維是一條線，二維是一個平面，三維是二維加上高度，形成的立體物體。

二維材料就是由一層或少數(shù)幾層原子或分子組成的平面狀的材料。著名的二維材料就是石墨烯，它是一層碳原子。

二硫化鉬也可做成二維材料，它由兩層硫原子夾著一層鉬原子組成。2016年，美國科學(xué)家用二硫化鉬做出了柵極長度為1納米的晶體管，創(chuàng)造了晶體管小型化的紀(jì)錄。2021年，湖南大學(xué)的科學(xué)家用二硫化鉬做出了柵極長度為0.65納米的晶體管。2022年3月10日，清華大學(xué)宣布，清華集成電路學(xué)院的科學(xué)家創(chuàng)造了新的紀(jì)錄，利用二硫化鉬和石墨烯，成功研制柵極長度為0.34納米的晶體管。

清華大學(xué)研究人員把晶體管設(shè)計成了一種臺階結(jié)構(gòu)，二硫化鉬薄膜像地毯一樣，鋪到“臺階”的上、下層，“地毯”的上層和下層分別對應(yīng)著晶體管開關(guān)的兩端，“臺階”中間插入一層石墨烯，充當(dāng)晶體管的柵極?？刂七@層石墨烯邊緣的電壓，就可以控制“臺階”上、下層之間的導(dǎo)通和關(guān)閉。石墨烯邊緣只有一層碳原子，厚度大約是0.34納米——于是，科學(xué)家就這樣研制出了世界上柵極長度最小的晶體管。這也達(dá)到了柵極長度的物理極限，因為柵極最少也得包含一層原子。

理論到實踐還需時日

這是不是意味著中國已經(jīng)笑傲世界芯片行業(yè)之巔？不。

清華大學(xué)這個成果是學(xué)術(shù)研究，證明了用二維材料構(gòu)建晶體管是可行的。要把這種晶體管組裝成芯片，即把幾十億個這樣的晶體管集成在一起，還需要在實驗室里繼續(xù)探索。即便在實驗室做出了芯片，還需要改善工藝，以便能在工廠里進(jìn)行批量化生產(chǎn)。

一個科研成果，從實驗室走到實際應(yīng)用，長路漫漫，每一步都考驗著人類的智慧、堅毅、勇氣、洞察力。期待清華大學(xué)研制的史上最小晶體管能早日實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，帶給我們更便捷、美好的生活。