碳奈米管從過去幾十年就已經用於製作實驗性電晶體,但大多是當做電晶體通道(channel);美國勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人員則是以奈米碳管製作閘極(gate),並因此實現了號稱全世界最小的電晶體。

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採用二硫化鉬(molybdenum disulfide)通道與單奈米碳管閘極的1奈米電晶體
(來源:Sujay Desai/UC Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory)

該實驗室研究人員Ali Javey表示,以物理學規則來看,電晶體的最小尺寸被認為是5奈米,但透過採用碳奈米管製作電晶體閘極,他們已經突破了極限;實證顯示,藉由改變材料的組合,摩爾定律(Moore's Law)能比先前所認為的再進一步延展。

除了碳奈米管閘極,Javey還選用二硫化鉬(molybdenum disulfide,MoS2)製作電晶體通道;他表示,該種材料也可應用於LED、雷射與太陽能電池。

選用二硫化鉬製作電晶體通道,是因為單個碳奈米管無法產生足以與矽通道共同運作的夠強電場;但儘管如此,研究人員還需要選擇低介電常數的閘極絕緣體──二氧化鋯(zirconium dioxide)──並將之沉積成僅0.65奈米的厚度。

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以穿透是顯微鏡拍攝的1奈米電晶體截面,可看到1奈米大小的碳奈米管閘極以及二硫化鉬通道,以二氧化鋯絕緣體隔開
(來源:Sujay Desai/UC Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory)

以上策略已經奏效,但還需要更進一步最佳化才能使其性能媲美目前的矽電晶體。其他研究團隊成員還包括加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)教授Chenming Hu、德州大學達拉斯分校(University of Texas at Dallas)教授Moon Kim,以及史丹佛大學(Stanford University)教授Philip Wong。

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勞倫斯柏克萊國家實驗室的Ali Javey教授(左)與他的研究所學生Sujay Desai
(來源:Marilyn Chung, Lawrence Berkeley National Laboratory)

編譯:Judith Cheng

(參考原文:One-Nanometer Transistor Demonstrated,by R. Colin Johnson)