用两种原子级薄材料制成的晶体管创下了最小尺寸纪录

一个关键的晶体管部件是由一张石墨烯的边缘制成的。

刻蚀在硅上的晶体管不断缩小的特性，一直需要推动制造技术的前沿。然而，像石墨烯和碳纳米管这样的原子薄材料的发现，提出了用这些材料的自然属性，取代我们的制造需求的前景。如果，你可以简单地使用1纳米宽的碳纳米管，就没有必要在硅中蚀刻1纳米的特征。

目前已经取得了一些显著的成功，例如一个由单个碳纳米管制成的1纳米栅极。但这项工作通常涉及一个困难的过程，即如何将原子状的薄材料放置在合适的位置，从而制造出功能性设备。而其余的硬件，通常是用从更传统的晶体管设计中借来的笨重材料制成的。

然而，本周发表的一篇新研究论文描述了一种创纪录的设计，它拥有迄今为止最小的晶体管栅长。这一纪录是由石墨烯薄片的边缘创造的，这意味着栅极只有一个碳原子。而且，通过在关键部件上使用第二种原子级薄的材料（加上巧妙的零件安排），设计团队已经确保了整个晶体管易于制造且相对紧凑。

走向原子化

标准的晶体管设计包括两个导电电极：源极和漏极，由一块半导体隔开。半导体的状态，意味着它是导电的还是绝缘的，是由第三个导电电极设定的，这个电极叫做栅极。虽然有许多衡量晶体管大小的标准，但栅极长度是最重要的标准之一。

硅可能是最著名的半导体，但也有原子薄型半导体。在这些材料中，最突出的是二硫化钼。虽然由于化学键的排列，二硫化钼没有单个原子那么薄，但它仍然非常紧凑。考虑到它具有有用的性能、良好的特性和易于使用的特点，研究人员使用二硫化钼作为他们的半导体材料。源电极和漏电极只是接触二硫化钼的简单的金属条。

在以前的1纳米器件中，栅极是由单个碳纳米管制成的。想变得更小是困难的，但也不是不可能。石墨烯薄片就像扁平的碳纳米管：一片连接在一起的碳原子。虽然薄片的长度和宽度比纳米管大得多，但其厚度只有一个碳原子的厚度。所以，如果你可以使用石墨烯的边缘作为栅极，你可以得到一个非常小的栅极长度。

然而，所有这些材料已经被用于无数的测试设备。这项新工作的秘密在于它们是如何安排的。这种安排的一部分只是为了让石墨烯片的边缘在正确的方向上起到栅极的作用。但这种设计的一个显著的好处是，它很容易制造，因为它不需要非常精确定位的原子薄材料。

巧妙的几何学

为了制造这种设备，研究人员从硅和二氧化硅层开始。硅是纯结构性的 —— 晶体管本身不含硅。石墨烯片被层在硅和二氧化硅上，形成栅极材料。在此之上，研究人员放置了一层铝。虽然铝是一种导体，但研究人员让它在空气中停留几天，在此期间其表面氧化成氧化铝。所以，石墨烯薄片的底部表面是二氧化硅，顶部覆盖着氧化铝，两者都是绝缘体。这将石墨烯边缘与晶体管硬件的其余部分隔离开来。

为了以有用的方式暴露石墨烯的边缘，研究人员简单地沿着铝的边缘蚀刻到下面的二氧化硅中。这切开石墨烯片，露出可用作栅极的线性边缘。此时，整个器件被一层薄薄的氧化铪覆盖，这是一种绝缘体，在栅极和其他硬件之间提供了一点空间。

上图：设备的结构图。黑色为二氧化硅基材，蓝色为石墨烯，红色为铝/氧化铝层，黄色为二氧化钼。氧化铪层没有显示出来。

接下来，二硫化钼半导体薄片被铺在整个（现在的三维）结构上。因此，石墨烯的边缘（现在嵌在设备垂直部分的壁上）靠近二硫化钼。石墨烯的边缘现在就可以作为控制半导体导电性的栅极。栅极的长度也就是石墨烯片的厚度 —— 单个碳原子，即 0.34 纳米。

从那里，该团队简单地将源极和漏极放置在栅极的两侧。三维布局让这变得容易。源放在顶部，漏极放在底部，中间是垂直的墙。（研究人员称他们的设备为侧壁晶体管，因为栅极位于侧壁的中间。）

不仅仅是设计

虽然，该器件的很多特性都是通过建模得到的，但研究人员显然已经制造了几十个晶体管。 其中一些是为了成像和确认材料是否都在基于制造过程的预期位置而牺牲的。但另一些则被用来证明硬件确实能像晶体管一样工作，尽管，它需要相当高的电压才能做到这一点。它的泄漏量也足够低， 适用于低功率 *** 作。

当然，研究人员提出了各种改进晶体管的方法。但这些早期演示设备的性能有点偏离重点，超出了它的功能性。

真正重要的事情是，研究人员找到了一种方法，真正利用最小尺寸的原子薄材料作为功能晶体管的一部分。当石墨烯和硫化钼被添加到设备中时，他们不需要特别精确的定位就能做到这一点。这部分是因为需要精确定位的石墨烯部分（边缘），是通过蚀刻产生的。 而且二硫化钼的位置必须足够好，以覆盖栅极并延伸到可以连接源极和漏极的位置。

当然，要制造数十亿个基于这种结构的设备，我们还需要很长一段时间才能做到易于定位。但这肯定是实现目标的必要步骤。

常见的半导体材料有如下：

锗和硅是最常用的元素半导体化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物（ 硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

半导体的分类，按照其制造技术可以分为：集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。

半导体材料的特点及优势

半导体材料是一类具有半导体性能，用来制作半导体器件的电子材料。常用的重要半导体的导电机理是通过电子和空穴这两种载流子来实现的，因此相应的有N型和P型之分。半导体材料通常具有一定的禁带宽度，其电特性易受外界条件(如光照、温度等)的影响。

不同导电类型的材料是通过掺入特定杂质来制备的。杂质(特别是重金属快扩散杂质和深能级杂质)对材料性能的影响尤大。

因此，半导体材料应具有很高的纯度，这就不仅要求用来生产半导体材料的原材料应具有相当高的纯度，而且还要求超净的生产环境，以期将生产过程的杂质污染减至最小。半导体材料大部分都是晶体，半导体器件对于材料的晶体完整性有较高的要求。此外，对于材料的各种电学参数的均匀性也有严格的要求。

半导体元器件有哪些？现在我们来看下。1、晶体二极管晶体二极管的基本结构是由一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起形成一个PN结。2、双极型晶体管它是由两个PN结构成，其中一个PN结称为发射结，另一个称为集电结。两个结之间的一薄层半导体材料称为基区。3、场效应晶体管它依靠一块薄层半导体受横向电场影响而改变其电阻（简称场效应），使具有放大信号的功能。这薄层半导体的两端接两个电极称为源和漏。控制横向电场的电极称为栅。

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