过去十年，工程师一直在挑战缩小集成电路元件尺寸的极限。尽管他们知道物理定律为传统半导体的晶体管栅极线宽定了一个5纳米的阈值，大约是现在市面上的高端20纳米栅极晶体管的1/4。现在，这个定律可能要被打破，或至少受到挑战。
使用纳米碳管和 MoS2，将晶体管制程缩减到 1 纳米
劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）由 Ali Javey 带领的研究团队就正在挑战该物理定律，他们开发了一种新型晶体管，其栅极线宽只有1纳米。作为对比，人类的头发丝宽度大约是50000纳米。
“我们造出了目前为止已知的最小晶体管。”Javey说，他是伯克利实验室材料科学部电子材料项目的主要负责人。“栅极线宽可以定义晶体管的尺寸。我们展示的1纳米栅极晶体管，表明利用适当的材料，在缩小电子元件尺寸上存在更大的空间。”
这项技术的关键是使用碳纳米管和二硫化钼（MoS2），后者是一种汽车配件店常见的发动机润滑剂。MoS2是一族广泛用于LED管、激光、纳米级晶体管、太阳能电池等的具有很大潜力的材料。
研究结果发表于10月7日号《科学》杂志。英特尔联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）曾预测，晶体管的集成电路密度每两年将翻一番（摩尔定律），让笔记本、手机、电视和其他电子产品的性能提高。
这项研究的第一作者 Sujay Desai 表示：“半导体行业一直认为，任何线宽小于5纳米的栅极都无法工作，因此小于5纳米的栅极甚至没有被考虑过。我们的研究证明了，小于5纳米栅极的可能性。用MoS2取代原来的硅材料，我们可以制造出线宽只有1纳米的栅极，并使其起到开关作用。”
让晶体管突破 5 纳米栅极限制
晶体管包含三极：源极、漏极和栅极。电流从源极流到漏极，流动过程被栅极控制，栅极会根据施加的电压选择开或者关。
硅和 MoS2 都有一个晶体晶格结构，但是与 MoS2 相比，从硅中流过的电子会更加轻盈，遇到的阻碍也相对更少。当栅极在 5 纳米以上时，这是一个好处。但是，在这个长度之下，就会发生一个量子力学中的现象，叫隧道效应，进而导致电子从源极流向漏极的过程中，栅极电阻不能防止电流的强行通过。
晶体管切面的透射电子显微镜图像。图片显示了1纳米的碳纳米管栅极，以及被当做绝缘体的二氧化锆所分隔的二硫化钼半导体。图片来自： Qingxiao Wang，德州大学。
“这意味着我们不能关闭这一晶体管”，Desai 说，“电流是失去控制的”。由于通过MoS2 的电流更“重”，它们的流动可以通过更短的栅极长度进行控制。MoS2 还可以缩减到原子级别的薄片，大约 0.65 纳米厚。此外，它还拥有更低的介电常数，这一指标反映的是材料储存电场中能源的能力。这两个属性，加上电子质量，有助于在栅极的长度减小到1纳米时，提升对晶体管内电流流动的控制。
一旦他们选定MoS2 作为半导体材料，下一步就应该是建造栅极。结果证明，建造 1 纳米的结构是一个不小的成就。传统的光刻技术在这一比例下不能发挥良好作用，所以研究者转向了碳纳米管，这种空心圆柱管的直径同样小到 1 纳米。
随后，研究者测试了设备的电学性能，结果显示，MoS2 晶体管加上碳纳米管栅极，能有效地控制电流。
“这一研究展示了世界上最短的晶体管”，UC Berkeley 大学电子工程与计算机科学的教授 Javey 说，“但是，这只是一种概念证明。我们还没有把这些晶体管放在芯片上，并且，我们也没有经过数十亿次尝试。我们也还没有制定自我对标的制造计划，用于减少设备中的寄生电阻”。
但是，这一研究的重要性在于，它说明我们的晶体管不再受 5 纳米栅极的限制。在一些半导体材料工程和设备架构上，摩尔定律还可以持续一段时间。
新技术仍然救不了摩尔定律
原因是什么呢？当前芯片设计面对问题不是其他，而是物理本身。使用硅金属，无法制造出小于 7 纳米的逻辑门（半导体中通过开关控制电流走向的部分）。要是制造得小于 7 纳米，那么其中的电子就可能会产生一种叫做量子隧道的效应，也就是本来处于“关”状态的半导体自己突然变成“开”了。
这种现象为摩尔定律套上了理论的枷锁。现在，美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员表示，他们研发出世界上最小的、可以工作的半导体，使用纳米碳管和二硫化钼（MoS2）作为材料，制造出了 1 纳米的逻辑门——至少在理论上——意味着能在更小的空间上容纳更多的逻辑门，这是使用硅做材料绝对办不到的。
但是，Condliffe 指出，这也仅仅只是一个概念上的验证，距离切实可用的产品还有很长的距离。将研究中所描述的纳米管半导体制作成处理器，需要在单一的一块芯片上安置几十亿个这样的开关，而且让它们全都能正常运作。当然，Condliffe 评论称，这完全是有可能的，不过那样的芯片可能很贵很贵（“cripplingly expensive”），于是也就不切实际了。
中科院计算所计算机体系结构国家重点实验室研究员韩银和评论称，“纳米级的晶体管早就有了，但量产的成品率是个问题。没有成品率的技术只能算研究不算突破。”
