Evolution Diagram of Transistor Scaling. Cross-sectional STEM images demonstrating key technology nodes: the 22-nm FinFET (C.-H. Jan et al., IEDM, pp. 3.1.1–3.1.4, 2012), the 3-nm FinFET (W. Hafez et al., VLSI Symp., pp. 1–2, 2024) and the GAAFET (N. Loubet et al., VLSI Symp., pp. T230–T231, 2017). Credit: Du et al.
几十年来，电子学研发发展方向一直是不断缩小的故事。晶体管变得更小、更快、更高效，悄然为从手机到超级计算机的一切供能。但近年来，这种稳定的节奏开始放缓。构建数字世界的硅正接近物理极限，使得进一步微型化变得越来越困难。工程师们仍能想象更小的设备，但开始受限于材料本身特性。
我们都希望寻找可能推动电子学迈入下一个时代的新型半导体。其中最引人注目的候选之一是二维半导体，这些材料极其薄，以至于可以测量成单层原子。这些材料确保晶体管不仅更小，而且在极端尺度下处理电流的方式有根本不同。其中研究最为深入的材料之一是二硫化钼（MoS₂）。与大体材料不同，MoS₂可以作为单分子层存在，仅有一层原子片厚。这种极薄性赋予了它工程师们非常关注的优势：对短通道效应的抵抗，以及晶体管变小时产生的电气问题。
理论上，MoS₂可以使晶体管能够在硅无法时继续缩小。然而，在实践中，理论与现实在一个非常具体且顽固的点上发生了冲突。要在电路内部工作，任何晶体管都必须连接到允许电流进出的金属触点上。这些连接必须是欧姆接触，意味着它们对电流的阻抗最小。随着设备缩小，这些接触点也必然缩小。这正是进展停滞的地方。多年来，大多数扩展二维半导体晶体管的努力都集中在缩小通道，即电流流动的区域。但随着研究人员深入纳米范围，另一个限制变得更加明显。真正的瓶颈根本不在于通道。而是接触点。
正如该研究的高级作者Xinran Wang所解释的，当接触长度达到极端尺度时，接触电阻成为主要障碍。电载体需要一定距离，称为转移长度，才能有效地从金属进入半导体。在1纳米节点，该传输长度必须小于20纳米，而传统接触方法难以满足这一要求。这一挑战对范德华触点尤为严峻，范德华触点常用于二维材料。这些触点在原子层面结合不牢固，导致空间有限时难以高效注入电流。长期以来，这让真正规模化的二维晶体管的想法似乎遥不可及。
南京大学及中国其他研究所的研究人员没有试图强行将现有接触技术推向不可能的尺度，而是选择了不同的道路。他们的想法简单，但执行要求极高：不是直接在MoS₂上安装接触点，而是直接在MoS₂上生长接触点。他们选择的材料是半金属锑，以其优异的电性能著称。他们采用的方法是分子束外延（MBE），这是一种在超高真空条件下逐个原子构建晶体的技术。研究人员利用MBE将锑原子沉积到单层MoS₂薄膜上，同时仔细加热底物并控制沉积速率。这给了原子找到最低能量排列的时间。结果非常惊人。锑原子自发组织成特定的Sb（012）晶体取向，形成与下方MoS₂密切且高质量的界面。这种方法与更常见的技术之间的差异非常显著。传统方法如电子束蒸发通常会产生颗粒较小且晶相混杂的薄膜。相比之下，MBE培养的锑形成了几乎相纯的晶体，晶粒尺寸大了两个数量级以上。这种晶体质量直接影响性能。由于界面更干净、更有序，电载流可以以更小的阻力穿过界面。正如该论文的合著者李伟生所解释的，即使接触长度缩短至18纳米，这些MBE培养的接触电阻几乎没有降解。
相比之下，蒸发锑接触点在60纳米时开始降解，远远超出下一代器件的尺寸。研究人员通过测量提取了约13纳米的转移长度，这一数字满足了1纳米节点的严格要求。通过跨越这一门槛，团队展示了此前未曾令人信服地展现的东西。超小接触和超低电阻不仅理论上能实现二维半导体—-他们是可以建造的。有了这些接触，研究人员继续制造出突破尺寸和性能边界的晶体管。他们的设备满足了关键的缩放目标，包括接触栅间距低于40纳米，符合未来技术节点的预期。据Wang称，这一成就改变了领域对二维晶体管的看法。直到现在，许多人认为这些材料有前景，但在真正大规模的尺寸下尚未得到验证。虽然有预期，但几乎没有实验证据表明随着设备长度大幅缩短，性能能否保持。
这项工作提供了这样的证据。通过正面解决接触问题，研究人员展示了像MoS₂这样的二维半导体能够在曾经被认为无法达到的尺度上有效发挥作用。除了眼前的技术成就外，这项研究对电子学的未来具有更广泛的启示。Wang及其同事相信，他们的方法有助于加速二维半导体从实验室到晶圆厂的转型，使其从研究演示转向实际制造流程。这一愿景与行业的思维相符。2025年，IMEC发布了一份器件路线图，将二维半导体定位为晶体管扩展的终极选项。换句话说，当传统材料达到极限时，二维材料可能成为下一步研发对象。
资料来源：Silicon Has a Physical Limit but This One Atom Thick Material Is About to Break It
