突破性研究发起新一轮晶体管微缩革命，有望为摩尔定律续命

摩尔定律统治了晶体管的发展50多年，目前晶体管的尺寸已经逐步逼近了物理极限。超过这个极限（小于3纳米）漏电流便会大到不可忽视。近日，来自哥伦比亚大学工程学院的研究团队合成了一种新型分子，这种新型结构可以防止漏电流的产生，从而有望使晶体管尺寸突破物理极限。

图 | 新型单分子结构的晶体管，可以阻止漏电流的产生（黄色为晶体管的金电极）（图源：Haixing Li/Columbia Engineering）

在量子力学中，具有一定能量的电子可以以一定的概率穿过位势垒，尽管这个位势垒具有更高的能量。这个现象就是“量子隧穿效应”。晶体管之间的真空具有很高的势垒，在一定程度上防止了电子的隧穿。但是在当两个晶体管的距离接近到物理极限时，即使是真空也无法阻挡电子穿过，此时便会产生漏电流。

图 | 量子隧穿效应：在粒子穿越高位势垒阻碍的过程中，振幅不会立刻变为零，而会呈指数衰变，因此，粒子有一定的概率抵达位势垒的另一边。 （图源：Wikipedia）

科学家新合成的分子不再试图通过构筑高高的壁垒来阻止电子穿过（因为电子的波函数的特性，只要距离足够近，再高的势垒电子也会有一定的概率通过），而是另辟蹊径，让电子波函数互相抵消，这样虽然会有电子在两个晶体管之间“穿过”，但是波函数叠加后，等效的电流为零，从而阻止了漏电流的产生。

这种硅基分子的设计灵感来源于“量子干涉”。量子世界中的一切粒子都可以用波函数来表示，波函数代表粒子出现于某一个位置的概率(严格来讲是波函数的平方)。和经典力学世界的波一样，波函数也可以发生干涉。当两列波函数的相位相差波长的整数倍时，就产生的“相长干涉”，合成的新波函数振幅得到了加强；而当它们的相位相差半波长的奇数倍时，就产生了“相消干涉”，合成波的振幅为零。该种分子正是采用了“量子相消干涉”，来作为阻隔漏电流的机制：电子叠加态波函数为零。从经典力学上讲，电子不可能存在于这个区域。

图 | 相长干涉（左）：波峰对波峰，振幅加倍；相消干涉（右）：波峰对波谷，振幅抵消。

“晶体管日益发展，要突破物理极限，传统方法已经不适用，我们必须采用创新方法制造晶体管。我们设计的分子便是传统设备上的创新设计的一个例子。”哥伦比亚大学工程物理学家Latha接受采访时说。随着晶体管的微缩接近3纳米这个极限，新的设计工艺可能即将出现，而这项研究引领了当今晶体管的缩小化的研究，有望为延续50年的摩尔定律续命。

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编辑：梁柱

参考：

http://www.kurzweilai.net/overcoming-transistor-miniaturization-limits-due-to-quantum-tunneling

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