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一个关键的晶体管部件是由一张石墨烯的边缘制成的 。
刻蚀在硅上的晶体管不断缩小的特性 ， 一直需要推动制造技术的前沿 。 然而 ， 像石墨烯和碳纳米管这样的原子薄材料的发现 ， 提出了用这些材料的自然属性 ， 取代我们的制造需求的前景 。 如果 ， 你可以简单地使用1纳米宽的碳纳米管 ， 就没有必要在硅中蚀刻1纳米的特征 。
目前已经取得了一些显著的成功 ， 例如一个由单个碳纳米管制成的1纳米栅极 。 但这项工作通常涉及一个困难的过程 ， 即如何将原子状的薄材料放置在合适的位置 ， 从而制造出功能性设备 。 而其余的硬件 ， 通常是用从更传统的晶体管设计中借来的笨重材料制成的 。
然而 ， 本周发表的一篇新研究论文描述了一种创纪录的设计 ， 它拥有迄今为止最小的晶体管栅长 。 这一纪录是由石墨烯薄片的边缘创造的 ， 这意味着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的材料（加上巧妙的零件安排） ， 设计团队已经确保了整个晶体管易于制造且相对紧凑 。
走向原子化
标准的晶体管设计包括两个导电电极：源极和漏极 ， 由一块半导体隔开 。 半导体的状态 ， 意味着它是导电的还是绝缘的 ， 是由第三个导电电极设定的 ， 这个电极叫做栅极 。 虽然有许多衡量晶体管大小的标准 ， 但栅极长度是最重要的标准之一 。
硅可能是最著名的半导体 ， 但也有原子薄型半导体 。 在这些材料中 ， 最突出的是二硫化钼 。 虽然由于化学键的排列 ， 二硫化钼没有单个原子那么薄 ， 但它仍然非常紧凑 。 考虑到它具有有用的性能、良好的特性和易于使用的特点 ， 研究人员使用二硫化钼作为他们的半导体材料 。 源电极和漏电极只是接触二硫化钼的简单的金属条 。
在以前的1纳米器件中 ， 栅极是由单个碳纳米管制成的 。 想变得更小是困难的 ， 但也不是不可能 。 石墨烯薄片就像扁平的碳纳米管：一片连接在一起的碳原子 。 虽然薄片的长度和宽度比纳米管大得多 ， 但其厚度只有一个碳原子的厚度 。 所以 ， 如果你可以使用石墨烯的边缘作为栅极 ， 你可以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片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定位的原子薄材料 。
巧妙的几何学
为了制造这种设备 ， 研究人员从硅和二氧化硅层开始 。 硅是纯结构性的 —— 晶体管本身不含硅 。 石墨烯片被层在硅和二氧化硅上 ， 形成栅极材料 。 在此之上 ， 研究人员放置了一层铝 。 虽然铝是一种导体 ， 但研究人员让它在空气中停留几天 ， 在此期间其表面氧化成氧化铝 。 所以 ， 石墨烯薄片的底部表面是二氧化硅 ， 顶部覆盖着氧化铝 ， 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 。
为了以有用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到下面的二氧化硅中 。 这切开石墨烯片 ， 露出可用作栅极的线性边缘 。 此时 ， 整个器件被一层薄薄的氧化铪覆盖 ， 这是一种绝缘体 ， 在栅极和其他硬件之间提供了一点空间 。
上图：设备的结构图 。 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 。
接下来 ， 二硫化钼半导体薄片被铺在整个（现在的三维）结构上 。 因此 ， 石墨烯的边缘（现在嵌在设备垂直部分的壁上）靠近二硫化钼 。 石墨烯的边缘现在就可以作为控制半导体导电性的栅极 。 栅极的长度也就是石墨烯片的厚度 —— 单个碳原子 ， 即 0.34 纳米 。
从那里 ， 该团队简单地将源极和漏极放置在栅极的两侧 。 三维布局让这变得容易 。 源放在顶部 ， 漏极放在底部 ， 中间是垂直的墙 。 （研究人员称他们的设备为侧壁晶体管 ， 因为栅极位于侧壁的中间 。 ）
不仅仅是设计
虽然 ， 该器件的很多特性都是通过建模得到的 ， 但研究人员显然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是否都在基于制造过程的预期位置而牺牲的 。 但另一些则被用来证明硬件确实能像晶体管一样工作 ， 尽管 ， 它需要相当高的电压才能做到这一点 。 它的泄漏量也足够低 ， 适用于低功率操作 。
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