杜克大學(xué)工程師證實(shí)，測(cè)試二維器件的常規(guī)器件架構(gòu)，會(huì)將其性能預(yù)期高估多達(dá) 6 倍

近二十年來(lái)，二維半導(dǎo)體一直被視作硅基晶體管的補(bǔ)充甚至潛在替代方案，這類(lèi)材料有望打造出尺寸更小、運(yùn)行更快、能效更高的處理器。

為簡(jiǎn)化二維半導(dǎo)體的生產(chǎn)與測(cè)試流程，該領(lǐng)域的大部分研究都采用某一特定器件架構(gòu)來(lái)測(cè)試其性能潛力，而這一架構(gòu)會(huì)引發(fā)一種名為“接觸柵控”的現(xiàn)象。

如今，美國(guó)杜克大學(xué)電子工程師團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)表明，這種測(cè)試方法會(huì)大幅夸大二維晶體管的紙面性能，且相關(guān)測(cè)試結(jié)果無(wú)法轉(zhuǎn)化為實(shí)際的商用技術(shù)。

這項(xiàng)題為《基于對(duì)稱(chēng)雙柵結(jié)構(gòu)的接觸柵控對(duì)單層二維晶體管尺寸縮放的影響》的研究，由杜克大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系教授艾倫?富蘭克林的實(shí)驗(yàn)室完成，于 2026 年 2 月 17 日在線發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)?納米》期刊。

富蘭克林表示：“絕大多數(shù)宣稱(chēng)二維晶體管具備高性能的研究，所采用的器件設(shè)計(jì)都與商用技術(shù)不兼容。我們的研究證實(shí)，這種設(shè)計(jì)會(huì)改變晶體管的工作方式，進(jìn)而大幅夸大其性能表現(xiàn)。如果忽略這一因素，就很難客觀評(píng)估這類(lèi)材料在未來(lái)晶體管技術(shù)中實(shí)際的表現(xiàn)。”

在研究二維材料的性能時(shí)，科研人員通常會(huì)采用簡(jiǎn)易的“背柵”架構(gòu)：將晶體管的所有元件集成在單塊硅片上，既便于制造，也能開(kāi)展快速實(shí)驗(yàn)。在該架構(gòu)中，二硫化鉬等超薄二維半導(dǎo)體材料被置于兩個(gè)金屬接觸電極之間，電流通過(guò)電極流經(jīng)半導(dǎo)體，而硅襯底則被用作柵極，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流通斷的控制。

但這一柵極的作用并非僅調(diào)節(jié)二維半導(dǎo)體的溝道：在背柵架構(gòu)中，柵極還會(huì)對(duì)金屬電極下方的半導(dǎo)體區(qū)域產(chǎn)生影響，由此引發(fā) “接觸柵控” 現(xiàn)象 —— 該效應(yīng)會(huì)通過(guò)柵極降低接觸電阻，從而放大晶體管的性能。

“性能放大聽(tīng)起來(lái)是件好事，” 富蘭克林說(shuō)，“但這種架構(gòu)雖非常適合實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)測(cè)試，卻存在速度、漏電流等物理層面的局限性，無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際的器件技術(shù)研發(fā)。”

為揭示這一存在于數(shù)百項(xiàng)二維晶體管實(shí)驗(yàn)室研究中的關(guān)鍵影響因素，富蘭克林實(shí)驗(yàn)室的博士生維多利亞?拉維爾耗時(shí)一年，設(shè)計(jì)并制作出一種全新的器件架構(gòu)，讓研究團(tuán)隊(duì)能夠直接測(cè)量接觸柵控對(duì)晶體管性能的改變幅度。

她研制出了對(duì)稱(chēng)雙柵晶體管，在同一片二維半導(dǎo)體溝道、接觸電極及相關(guān)材料的上下方均設(shè)置了柵極。僅通過(guò)背柵或頂柵控制器件這一唯一變量，就能確定接觸柵控現(xiàn)象是否存在，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體管性能的一對(duì)一對(duì)比測(cè)試。

拉維爾表示：“器件制造的過(guò)程中，永遠(yuǎn)會(huì)遇到意想不到的問(wèn)題。當(dāng)在如此微小的尺度下進(jìn)行制造時(shí)，受物理?xiàng)l件的限制，很多操作都會(huì)變得極具挑戰(zhàn)性。”

研究結(jié)果令人震驚：在尺寸較大的器件中，接觸柵控大約會(huì)讓性能翻倍；而當(dāng)拉維爾將器件尺寸縮小至未來(lái)技術(shù)所需的微納尺度時(shí)，接觸柵控的效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)。在溝道長(zhǎng)度 50 納米、接觸電極長(zhǎng)度 30 納米的器件中，接觸柵控將晶體管的性能高估了多達(dá) 6 倍。

富蘭克林解釋道，隨著器件尺寸不斷縮小，接觸電極對(duì)器件整體性能的影響會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，任何能改變接觸電極特性的機(jī)制，其作用都會(huì)變得愈發(fā)重要。而多年來(lái)，絕大多數(shù)二維晶體管的研究成果均基于背柵架構(gòu)完成，因此富蘭克林與拉維爾的這項(xiàng)研究具有廣泛的參考意義。

該研究團(tuán)隊(duì)下一步計(jì)劃進(jìn)一步縮小器件尺寸，將接觸電極的長(zhǎng)度降至 15 納米，并研究采用新型接觸金屬來(lái)降低接觸電阻。團(tuán)隊(duì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是，為將二維半導(dǎo)體集成至未來(lái)的晶體管技術(shù)中，制定更清晰的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

富蘭克林說(shuō)：“如果二維材料未來(lái)真的要取代硅基溝道，我們就必須客觀認(rèn)識(shí)到器件架構(gòu)會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響。這項(xiàng)研究正是為奠定這一基礎(chǔ)而開(kāi)展。”

本研究得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的資助。