取代硅在半导体界中的霸主地位石墨烯薄膜材

硅材料晶体管尺寸的不断缩小一直推动着半导体技术的前沿发展，随着石墨烯和碳纳米管等新型原子级材料的发现，科学家日前用原子级薄膜材料制成的晶体管创下了最小尺寸的纪录，为我们绘制了用新型原子级材料满足未来半导体产业制造需求的新蓝图。

虽然石墨烯薄膜的长度和宽度都很大，但高度与单个碳原子相同

如果你可以简单地使用1纳米宽的碳纳米管，就没有必要在硅材料上蚀刻出1纳米的特性。目前这项工作已经取得了一些显著的成功，比如由单个碳纳米管制成的1纳米栅极。在半导体工业中，这项工作常常涉及到一个困难的过程，即把这些厚度只有原子级的材料放在正确的位置以创造出一个具有功能性的半导体器件。

然而，本周发表的一篇新论文描述了一种创纪录的设计方法，它拥有迄今为止最小的晶体管栅极长度。这一纪录是由石墨烯薄膜材料的边缘创造的，这意味着这个晶体管的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膜材料再加上巧妙的设计，设计团队已经确保了整个晶体管易于制造且相对紧凑。

进入原子尺度

标准的晶体管设计包括两个导电电极，即源极和漏极，这两个导电电极由中间的一块半导体隔开。中间半导体的状态，即它是导电的还是绝缘的，通常是由第三个导电电极决定的，这个电极叫做栅极。虽然有许多表征晶体管尺寸的方法，但是测量栅极长度最重要的方法之一。

最基本的晶体管结构

硅可能是最著名的半导体材料，但也有原子级薄膜半导体材料。这些物质中最突出的是二硫化钼。虽然由于化学键的排列，二硫化钼不像单个原子那么薄，但它仍然非常致密。考虑到它具有有用的特性，特性良好，易于操作，研究人员使用二硫化钼作为他们的半导体材料。源极和漏极是简单的金属条，用于和二硫化钼连接。

在之前的1纳米器件中，栅极是由一个碳纳米管制成的。要比这个更小是困难的，但也不是不可能。石墨烯薄膜就像扁平化的碳纳米管，一块由碳原子连接在一起的薄片。虽然薄膜的长度和宽度将比纳米管大得多，但厚度将只有一个碳原子的厚度。所以，如果你能用石墨烯薄片的边缘作为栅极，你就能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薄膜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的定位原子薄膜材料。

精妙的几何设计

为了制造这种设备，研究人员从硅和二氧化硅层开始。硅和二氧化硅层是单纯作为支撑结构的，这个晶体管本身不含硅。石墨烯片被沉积在二氧化硅材料上形成栅极，在此之上研究人员又沉积了一层铝。虽然铝是一种金属导体，但研究人员让它在空气中停留几天，在此期间铝的表面氧化形成氧化铝。所以石墨烯薄膜的底部表面是二氧化硅，顶部表面覆盖着氧化铝，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。

为了以一种有效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，直到下面的二氧化硅。穿过石墨烯薄膜，并露出可以用作栅极的边缘。此时整个器件覆盖了一层薄薄的绝缘体氧化铪层，在栅极和其他硬件之间提供了一点空间。接下来，二硫化钼半导体薄膜被沉积在整个结构上。

因此，石墨烯的边缘现在被嵌在器件垂直部分的侧壁上，并十分靠近二硫化钼层。石墨烯的边缘现在可以作为一个栅极来控制半导体的导电性，这个栅极的长度就是是石墨烯薄膜的厚度——一个碳原子或0.34纳米。

最后，该团队简单地将源极和漏极放置在栅极的两侧。通过调整三维布局可让这变得容易。源极放在顶部，漏极放在底部，中间是垂直的栅极墙，因此研究人员开玩笑称他们的设备为“侧壁晶体管”，因为栅极位于侧壁的中间。

新型器件的结构，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。

不仅仅是设计

虽然该器件的很多特性都是通过设计建模得到的，但研究人员实际上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都在制造过程中所期望的位置，但另一些则被用来证明新设计出来的晶体管能正常工作，尽管它需要相当高的电压才能做到这一点。另一个优点是它还具有足够低的漏电流，漏电流通常是是半导体中被无效消耗的电流，因此对于要求较低漏电流的低功率半导体器件来说，这种新设计方法非常有吸引力。

当然真正重要的是研究人员找到了一种方法，使用最小尺寸的原子薄材料作为功能晶体管的一部分。当石墨烯和二硫化钼被添加到设备中时，他们不需要特别精确的定位方式就能做到这一点。一部分原因是需要精确定位的石墨烯边缘是通过蚀刻产生的，同时二硫化钼的位置已经足够好，足以盖住晶体管的源极，漏极和栅极。

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，但科学家已经踏出第一步。

本文参考arstechnica文章，“Atransistormadeusingtwoatomicallythinmaterialssetssizerecord”，如有兴趣还可查阅原文。