中国研究人员推出世界上最小的 1 纳米栅极铁电晶体管

北京大学和中国科学院的一个研究小组开发出了世界上最小的铁电晶体管，成功地将栅极长度缩小到仅 1 纳米。科学进展》（Science Advances）杂志详细介绍了这种纳米栅极器件，它的工作电压仅为 0.6 伏，克服了半导体行业的一个关键功耗瓶颈。

现代逻辑芯片可在大约 0.7 伏的电压下高效运行。然而，主流非易失性存储器（如 NAND 闪存）通常需要 5 伏或更高电压才能执行写入操作。即使是以前的铁电场效应晶体管（FeFET）也需要超过 1.5 伏的电压。这种电压不匹配带来了复杂的升压电路，浪费了宝贵的空间和能源。在典型的人工智能芯片中，总功耗的 60%-90% 仅用于数据传输，而非实际计算。

为了解决这个问题，邱晨光和彭连茂领导的研究团队使用金属单壁碳纳米管作为栅极电极。这种设计起到了纳米尖端的作用，可以集中电场，增强铁电层与通道之间的耦合。

这种电场增强使得该器件能够在仅 0.6 伏特（低于标准逻辑电压）的电压下翻转极化状态，同时保持对短沟道效应的抗扰性。

由此产生的二硫化钼（_MoS2）场效应晶体管具有卓越的存储性能，其电流导通/关断比高达 200 万，编程速度快达 1.6 纳秒。通过实现存储器和逻辑单元之间的电压兼容，该技术无需额外的电荷泵电路，从而消除了高速数据交互的障碍。

据研究人员称，其基本原理适用于主流铁电材料，并与标准工业制造工艺兼容。这一突破对未来的大型模型推理、边缘智能和可穿戴设备具有重要意义，在这些领域，能效至关重要。