基于动量调控的场效应晶体管突破硅基短沟道效应极限

为解决硅基场效应晶体管(FET)因短沟道效应导致的漏电流问题，中国科学院团队创新性提出动量依赖型场效应晶体管(MD-FET)。该研究通过交叉排列的一维碳纳米管(CNT)电极与二维半导体通道的协同设计，利用动量失配原理实现完美关态(<10-13A)，借助电子-声子散射补偿机制获得高开态(~10-7A)，最终实现107超高开关比，为后摩尔时代晶体管微型化提供新范式。

　　

在半导体技术逼近物理极限的今天，硅基场效应晶体管(FET)的持续微缩化遭遇了难以逾越的障碍——短沟道效应。当晶体管沟道长度缩小至12纳米以下时，量子隧穿效应会导致严重的漏电流，就像无法关紧的水龙头般持续耗能。更棘手的是，现有极紫外光刻技术(EUV)也难以突破1纳米制程的衍射极限。传统三维电极结构中，电子动量连续分布的特性使得载流子总能找到隧穿路径，如同在拥挤地铁站里总能找到通行路线的乘客。这些根本性限制使得半导体行业亟需突破性的器件设计理念。

中国科学院的研究团队独辟蹊径，从量子力学最基本的动量守恒原理出发，创造性地提出动量依赖型场效应晶体管(MD-FET)。这项发表在《SCIENCE ADVANCES》的研究，通过精确操控低维材料中载流子的动量自由度，成功实现了亚1纳米沟道下的高效开关控制。研究团队采用交叉构型的一维碳纳米管(CNT)作为源漏电极，中间夹嵌单层二维过渡金属硫化物(TMD)作为沟道材料。这种独特设计使得器件在关态时因动量失配而阻断弹性隧穿，开态时则通过电子-声子散射实现动量补偿，就像为电子设置了智能旋转门系统。

关键技术方法包括：化学气相沉积(CVD)制备超长CNT，通过微纳操纵技术实现90°交叉构型精确组装；采用机械剥离与湿法转移获得单层WS₂/MoS₂沟道；结合密度泛函理论(DFT)计算声子色散关系；搭建变温电学测试系统分析输运机制。

【Abstract】部分揭示了MD-FET的核心创新：通过动量空间调控突破传统能带工程限制。在常规FET中，三维电极的连续动量分布导致不可避免的量子隧穿，而MD-FET利用一维CNT的离散动量特性，在90°交叉构型下实现动量失配，将关态电流压低至10^-13A量级。

【INTRODUCTION】章节系统阐述了研究背景与技术瓶颈。随着晶体管尺寸缩小，表面悬挂键散射和直接源漏隧穿(SDT)效应显著恶化器件性能。虽然二维材料如WS₂具有原子级平整界面，但传统垂直场效应晶体管(VFET)的开关比仅约10¹。研究人员注意到，维度降低会改变动量空间特性：3D电极形成费米球，2D石墨烯呈现狄拉克锥，而1D CNT则产生量子化抛物线能带——这为动量调控提供了理论基础。

【RESULTS】部分通过实验验证了器件性能与机制：

1. 器件构型方面，采用直径3nm的CNT与1.1nm厚WS₂构成亚1纳米沟道，通过拉曼光谱和原子力显微镜(AFM)确认材料特性。
2. 电学测试显示MD-FET开关比达10⁷，较石墨烯-CNT构型(VFET)提升6个数量级。60°交叉CNT对比实验证实动量匹配会导致关态电流回升至10^-10A。
3. 变温输运分析发现电流随温度升高呈非线性增长，符合声子辅助输运模型。DFT计算指认37.2meV的光学声子参与Umklapp散射过程，实现Γ点附近的动量补偿。
4. 多种TMD材料验证显示，WS₂因导带高出0.3eV而比MoS₂具有更优开关性能。

【DISCUSSION】部分强调了该研究的范式转变意义。不同于传统依赖能带调控的策略，MD-FET开创了通过动量自由度调控实现器件功能的新路径。这种机制对材料体系具有普适性，只要满足一维电极与二维沟道的组合要求，包括石墨烯等其他狄拉克材料均可适用。研究还揭示了电子-声子相互作用在纳米尺度输运中的关键作用，为后续器件优化提供明确方向。

这项研究不仅突破了硅基FET的物理极限，更开辟了"超越摩尔"的新技术路线。其创新性体现在三个方面：首先，将量子力学基本原理转化为器件设计维度；其次，实现了材料维度特性与器件功能的精准匹配；最后，建立了从理论预测到实验验证的完整研究范式。该成果为未来1纳米以下节点晶体管的发展提供了切实可行的解决方案，有望推动半导体技术进入全新的发展阶段。