几十年来，硅晶体管变得越来越小，但它们正在迅速接近一个极限，即它们不能再缩小它们的栅极长度，也就是电流在这些器件中必须传播多远。现在，通过使用原子级的薄材料，中国科学家创造了一种晶体管，其创纪录的栅极长度只有大约三分之一纳米宽，厚度只有一层碳原子那么厚，这让我们清楚地知道，如果真是这样的话，晶体管可能会变得更小。

在所有晶体管中，电流从源极流向漏极，电流由栅极控制，栅极根据施加的电压开关。栅极的长度是晶体管尺寸的关键标志。

自20世纪50年代第一块集成电路问世以来，硅晶体管已经按照摩尔定律缩小，这有助于将更多此类器件封装到微芯片上，以提高其计算能力。然而，晶体管的栅极尺寸现在已经接近理论极限。在大约5纳米以下，硅不再能够控制电子从源到漏的流动，因为一种被称为隧道效应的量子力学效应。

最近，科学家开始探索下一代电子产品的二维材料，包括石墨烯（由单层碳原子组成）和二硫化钼（由夹在两层硫原子之间的一片钼原子组成）。例如，2016年，科学家利用碳纳米管和二硫化钼制造了一种栅极长度仅为1nm的晶体管。

现在，中国科学家利用石墨烯和二硫化钼器件的垂直方向，创造了一种栅长仅为0.34纳米的晶体管。“我们已经实现了世界上最小的栅长晶体管。”该研究的资深作者、北京清华大学电气工程师田令仁说。

设想一下这个新设备，想象一下楼梯间里有两个台阶。在较高的阶梯顶部是源极，在较低的阶梯顶部是漏极，两者都由钛钯金属触点制成。楼梯间的表面是由一层二硫化钼构成的，起着连接源极和漏极的电气通道的作用。在该表面之下是一薄层电绝缘的二氧化铪。

在更高的台阶内是一个多层三明治。底层是一层石墨烯，由一层碳原子组成。在它的顶部是一块覆盖着氧化铝的铝块，这使得石墨烯和二硫化钼在很大程度上保持分离，只是在较高台阶的垂直侧有一个很薄的间隙。上下台阶都位于5厘米硅片上的二氧化硅层上。

当栅极被设置为开启状态时，电流基本上可以沿着台阶从源极经过石墨烯流向漏极，栅极实际上只有0.34纳米宽，与石墨烯层的宽度相同。

在未来，人们几乎不可能制造出小于0.34纳米的栅极长度，这可能是摩尔定律的最后一个节点。

在2021，不同的组报告了使用二硫化钼制成的垂直晶体管，在其导通状态下栅极长度为0.65 nm。纽约州立大学水牛城分校的纳米电子学科学家华敏丽没有参与这项研究，他说，这项新的工作进一步推动了门的尺度限制，即仅仅是一层碳原子的厚度，在相当长的一段时间内，要打破这一纪录是很困难的。

在晶体管中，当施加电场时，栅极开启和关闭状态的长度通常不同，但在更大的范围内，这种效应通常不显著。在这种新设备中，当向栅极施加电压以将其切换到关闭状态时，这使得栅极有效地具有4.54纳米长，这一差异可以证明是一种优势。

在关闭状态下，更长的通道和更高的电阻将有助于防止泄漏电流，相比之下，导通状态下较短的沟道长度和较低的电阻将提高导通状态电流密度。

在未来，研究人员计划用他们的新晶体管制造更大规模的电路，任说：“下一个目标是制造1位CPU。”他指出，一个可能的挑战是制造更高质量、更大面积的二硫化钼，以及该材料目前的高成本。

总的来说，这项典型的工作代表着探索晶体管垂直结构的一种新尝试，它跟随了FinFET技术的发展，希望它能激发更多创造性的想法，充分挖掘2D材料的潜力，并将摩尔定律推广到高性能节能纳米电子学领域。

科学家们在3月10日的《自然》杂志上详细介绍了他们的发现。