导读
据奥地利维也纳技术大学官网近日报道，该校研究人员采用二维材料制成的超薄半导体以及氟化钙制成的新型绝缘体，创造出一种新型超薄晶体管。这种晶体管具有卓越的电气特性，可小型化至极小的尺寸。
背景
数十年来，芯片上的晶体管变得越来越小，越来越快，越来越便宜。“摩尔定律”指出：“当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。”
摩尔定律-集成电路芯片上晶体管数量（1976-2016）（图片来源：维基百科）
可是近年来，摩尔定律正在面临失效。晶体管小型化已经逼近物理极限。一旦低于5纳米，晶体管中电子的行为将受制于量子不确定性，很容易产生隧穿效应，晶体管变得不再可靠，芯片制造面临巨大挑战。
在所谓的“后摩尔时代”，世界各国科学家都开始积极探索各种新技术、新工艺、新材料。自旋电子学、分子电子学、量子计算机、声子计算机、光子计算机、细胞计算机等新兴领域的研究让我们看到了新的希望。
二维材料，属于这些新兴研究领域中的佼佼者。二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料。例如，目前备受瞩目的神奇材料“石墨烯”就是一种典型的二维材料。
（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
除石墨烯外，二维材料还包括六方氮化硼、二硫化钼、黑磷等。这些二维材料可用于制造半导体以及超薄柔性电子器件，并有望为电子器件的小型化带来新的巨大进步。
二硫化钼和1纳米碳纳米管栅极的晶体管示意图。（来源：Sujay Desai/加州大学伯克利分校）
创新
近日，奥地利维也纳技术大学（TU Wien）的研究人员采用二维材料制成的超薄半导体，在氟化钙制成的新型绝缘体帮助下，创造出一种超薄晶体管。这种晶体管具有卓越的电气特性，不同于之前的技术，它可以小型化至极小的尺寸。这项新技术已经发表在《自然电子学（Nature Electronics）》期刊上。
新型晶体管示意图：红色与蓝色的是绝缘体，半导体位于上方。（图片来源：维也纳技术大学）
技术
近年来，关于晶体管制造所需的半导体材料的研究取得了显著进展。如今，超薄半导体可以由二维材料制成，这些材料仅由几个原子层组成。维也纳技术大学微电子研究所教授提伯·格拉泽（Tibor Grasser）表示：“但是，对于构造极小的晶体管来说，这还不够。除了超薄的半导体，我们还需要超薄的绝缘体。”
原因在于晶体管的基本设计结构：只有当中间有电压施加时，电流才可以从晶体管的一侧流向另一侧，创造出电场。电极提供的这个电场必须与半导体本身电气绝缘。提伯·格拉泽表示：“采用超薄半导体的晶体管实验已经在开展，但是迄今为止，这些实验都与普通绝缘体相关。当半导体仍然与厚厚的绝缘材料层结合在一起时，减少半导体的厚度并没有什么益处。这种晶体管无法进一步小型化。此外，在非常小的长度尺度上，绝缘体表面会干扰半导体的电子特性。”
因此，提伯·格拉泽团队的博士后研究员尤里·伊拉里奥诺夫（Yury Illarionov）尝试了一种新方案。他将超薄二维材料不仅用于晶体管的半导体部分，也用于绝缘体部分。他通过选择超薄绝缘材料例如离子晶体，构造出尺寸仅为几个纳米的晶体管。因为离子晶体拥有完美的规则表面，没有一个原子会从表面上鼓出，这样就不会影响到电场，所以晶体管的电子特性会得到改善。提伯·格拉泽解释道：“传统的材料在第三个维度上拥有共价键，原子与上下相邻的材料之间产生耦合。二维材料和离子晶体并不会这样，所以它们不会干扰半导体的电气特性。”
为了制造这种新型超薄晶体管，氟化钙被选为绝缘材料。氟化钙层在圣彼得堡约飞研究所生产，论文第一作者尤里·伊拉里奥诺夫在加入维也纳的团队之前就在那里工作。然后，晶体管本身是由维也纳技术大学光子研究所的托马斯·穆勒（Thomas Müller）教授团队制造，并在微电子研究所进行分析。
价值
第一个原型已经超越了所有的期望：“多年来，我们收到了相当多不同的晶体管，并研究它们的技术特性，但是从未见过像这种具有氟化钙绝缘体的晶体管。该原型具有卓越的电气特性，超越了之前所有的模型。
现在，团队想要找出绝缘体与半导体的哪种组合工作得最好。因为材料层的生产工艺仍然需要改善，所以这项技术还要几年才能用于商用计算机芯片。提伯·格拉泽表示：“然而，总的来说，未来由二维材料制成的晶体管毫无疑问将是非常有吸引力的选择。从科学的角度来看，很明显，我们刚刚测试过的氟化物是目前解决绝缘体问题的最佳方案。现在，只有剩下几个技术问题有待回答。”
这种更小、更快的新型晶体管将使得计算机工业再次取得巨大进步。通过这种方式，摩尔定律可能很快重新焕发生机，计算机性能有望迅猛增长。
关键字
晶体管、二维材料、半导体、摩尔定律
参考资料
【1】Yury Yu. Illarionov, Alexander G. Banshchikov, Dmitry K. Polyushkin, Stefan Wachter, Theresia Knobloch, Mischa Thesberg, Lukas Mennel, Matthias Paur, Michael Stöger-Pollach, Andreas Steiger-Thirsfeld, Mikhail I. Vexler, Michael Waltl, Nikolai S. Sokolov, Thomas Mueller, Tibor Grasser. Ultrathin calcium fluoride insulators for two-dimensional field-effect transistors. Nature Electronics, 2019; 2 (6): 230 DOI: 10.1038/s41928-019-0256-8
【2】https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/ultrathin-transistors-for-faster-computer-chips/
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