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预测晶体管缩小物理极限值的新方法

来源：互联网 2026-08-03 11:45:10

韩国科学技术院研究团队基于量子力学原子尺度计算，提出预测晶体管缩小物理极限的新方法。该方法无需实验试错，通过第一性原理计算金属—半导体界面电子输运行为。结果显示，临界隧穿长度可缩至4纳米以下，极限受材料组合与界面结构调控，而非固定值。

半导体行业数十年的发展脉络，核心可概括为：不断缩小晶体管尺寸，以提升算力并降低功耗。然而，这一进程面临物理极限。当尺寸逼近临界点，量子隧穿效应将导致电子泄漏，电流难以被有效控制。因此，明确晶体管缩小的“物理极限”成为下一代芯片研发的关键课题。

韩国科学技术院提出新方法：基于量子力学的原子尺度计算

韩国科学技术院（KAIST）研究团队近期提出一套创新求解思路。他们从基础物理定律出发，开展基于量子力学的原子尺度计算，构建了预测晶体管缩小“物理极限”的方法。简单而言，该方案无需依赖大量实验试错，而是直接在计算机中精确模拟材料与界面行为。相关成果已发表于《计算材料学》期刊。

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当前实验手段在原子尺度上，难以对金属电极与半导体沟道之间的接触结构进行精确调控。逐个调整原子位置并定量分析电子行为，对现有技术而言要求过高。因此，晶体管的缩放极限一直难以被直接验证。

针对这一难题，团队采用“从头算”第一性原理计算方法。该方法不依赖实验参数，完全基于基本物理定律推导材料性质。研究团队此前已提出多空间约束搜索密度泛函理论（MS-DFT）框架，此次进一步将计算能力从“材料层面”扩展至“器件层面”，从而精确描述金属-半导体界面及电子输运过程中的量子行为。

在此基础上，团队开发了“计算版传输长度法”，用于提取金属—半导体间的接触电阻，并确定量子隧穿发生的临界尺度。他们以单层二硫化钼（典型二维半导体）为模型，系统分析了电子在沟道中的渗透行为，以及该行为对不同金属电极和接触结构的依赖关系。

计算结果显示，晶体管的最小尺度并非固定值，而是与材料组合和界面结构密切相关。所谓“关键隧穿长度”并非统一常数，而是受金属功函数和接触界面原子结构共同调控的设计变量。在所模拟的多种结构中，电子停止“泄漏”的临界长度可缩小至4纳米以下——这表明晶体管继续微缩仍存在显著潜力。

研究团队还提出了一种基于不同二维半导体材料组合的芯片设计策略。其目的不仅在于进一步缩小晶体管尺寸，更在于缩小尺寸的同时有效降低器件功耗、优化整体性能。这正是整个研究的核心价值：它并未给出一个“到此为止”的极限值，而是揭示极限本身可以被设计和调控。

预测晶体管缩小物理极限值的新方法

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