突破硅半導體極限，納米工藝的晶體管已經誕生了嗎？
科學家利用二硫化鉬和碳納米管，製成了柵極線寬僅有1納米的晶體管
這個小組的研究人員利用二硫化鉬（molybdenum disulfide）和碳納米管（carbon nanotube），成功地研製出柵極線寬僅為1納米的晶體管，這不僅僅大幅度超越了目前最為先進的商用晶元中晶體管20納米的柵極線寬，更是突破了硅基晶體管5納米柵極線寬的理論物理極限。根據之前的預測，由於受制於到硅基晶體管尺寸的物理極限，預言晶體管尺寸不斷縮小的摩爾定律可能會在2021年終結。而這項新研究也許預示著，在納米材料的助力下，晶體管的微縮之路還可以繼續走下去。
這項成果發表在《科學》（Science）雜誌上，研究人員主要來自於美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室、斯坦福大學和得克薩斯州立大學達拉斯分校，他們使用二硫化鉬材料作為晶體管的溝道，而晶體管的柵極則由單壁碳納米管（single-walled carbon nanotube）構成。
多種納米材料的結合使得晶體管柵極線寬可以進一步減小。這裡我們簡要介紹一下晶體管的工作原理，晶體管主要由三部分組成——源極（source）、漏極（drain）、柵極（gate），源、漏兩極位於導電溝道兩端，電荷經由溝道在源、漏之間運動從而形成電流，柵極則一般位於溝道上方，用於控制溝道的開關，源、漏之間電流的有和無就表示著計算機中所用的二進位信號的1和0。
通常來說，硅是比二硫化鉬更合適的溝道材料，這是因為電子在硅溝道中運動所受到的散射更少，即硅的電阻率較低，而在二硫化鉬材料中，電子的輸運相對困難。但是，當柵極線寬縮小到5納米以下時，這些原本有利的物理特性開始阻礙硅基器件的進一步微縮。在低於5納米的尺度下，材料的量子隧穿特性開始顯現，這使得電子無論溝道開或關都可以輕易地在源極和漏極之間運動。這樣的結果是，我們無法再通過柵極電壓的變化來控制器件的開關，也就無法實現電路的邏輯功能了。
而電子在二硫化鉬材料中的遷移速度更低，這對於5納米以上寬度的二硫化鉬材料來說是一種劣勢，而在柵極線寬進一步縮短時就成為了它的優勢，這使得柵極可以更有效地控制溝道中電子的流動。
解決了溝道材料的選擇問題，研究人員要面臨的下一個難題是使用什麼樣的材料來製作那麼短的柵極，傳統的光刻（lithography）工藝無法滿足要求，而通過使用碳納米管材料，我們可以直接跳過光刻的問題來實現這一目標。
「要製造1納米長的金屬柵極是相當困難的，尤其是在用於學術研究的實驗室里。」來自伯克利實驗室材料科學分部（Berkeley Lab』s Materials Science Division）的電子材料項目的首席研究員Ali Javey在一次電子郵件採訪中解釋道，「而利用碳納米管的固有特性，比如說良好的導電性能，以及圓滑無稜角，沒有邊緣粗糙度（edge roughness），利用碳納米管，我們可以很方便製造出1納米的柵極。」
這樣的科研成果，往往會引起人們超出實際的期望，而Javey也對這樣的情況有所準備，他在新聞稿中提到，「這只是一次概念驗證，目前為止，我們還沒有將這些新型器件集成到一個實際晶元中去，還沒有進行成千上萬次的重複性試驗，另外，我們也還沒有開發出相應的自對準工藝來降低器件的寄生電阻（parasitic resistance）。」
儘管如此，看到5納米的柵極線寬極限可能被突破依然是令人感到興奮的，這項研究至少可以說明半導體之路並未到達盡頭。
原子直徑大概是0.2納米，因為門電路是由多個原子陣列組成的，寬度大概在1納米多如果加上間距，極限應該是2納米左右，現在英特爾是14納米的，還是有很大空間的，但是一年多後就到天花板了，因此各國都在發現量子計算。但量子計算還有很長的路要走，所以晶元廠就開始做超多核心，甚至集群計算，去進一步提升運算能力，以補充這個空窗期的計算需求。
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