晶体管 100 周年：现状、挑战与未来技术走向

晶体管作为现代科技的核心，其发展历程堪称一部波澜壮阔的科技史诗。硅器件的不断进步为晶体管的诞生和发展奠定了坚实基础，但未来晶体管将如何进一步发展，目前仍是一个充满悬念的谜题。

故事要追溯到 1925 年 10 月，移民到美国的奥匈帝国人尤利乌斯・埃德加・利利菲尔德（Julius Edgar Lilienfeld）申请了 “控制电流的方法和装置” 的专利。他提出了利用一个端子上的电场来改变另外两个端子之间电流的概念，这实际上就是场效应晶体管的雏形。

然而，受限于当时的半导体技术，他未能将这一概念发展成可工作的原型。直到 1947 年 12 月，威廉・肖克利（William Shockley）、约翰・巴丁（John Bardeen）和沃尔特・布拉顿（Walter Brattain）在贝尔实验室成功发明了一个可工作的晶体管（尽管是点接触晶体管），才真正开启了晶体管的时代。

图：这张图取自美国专利“电流控制方法和装置” ，该专利于 1926 年 10 月提交，并于 1930 年 1 月获得授权；更早的一项专利于 1925 年 10 月在加拿大提交

当时，很难想象晶体管在利利恩菲尔德专利获得后的100年里会产生如此深远的影响。首先，当前人工智能领域的革命正是硅基互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术进步的直接结果，这项技术使得晶体管变得更小、更便宜、更强大。事实上，晶体管是人类历史上制造数量最多的“物品”之一：据估计，到2018年，人类已经制造了约130亿亿（1021）个晶体管，而且自那时起，制造的数量很可能还会更多。

不出所料，晶体管技术的发展在《自然电子学》所涵盖的研究中占据了相当大的比重，并且仍在持续进步。在半导体行业的引领下，新材料（例如高k电介质）和非平面架构（例如鳍式晶体管和环栅晶体管，它们可以实现更高的驱动电流，从而更好地控制单位通道面积的静电）以及新的加工和设计技术得到了探索。此外，进一步的改进——例如在封装和三维系统方面的改进——似乎也有望实现。

然而，随着硅基本物理极限的逼近，在缩小传统晶体管尺寸方面所能取得的明显进步越来越少。这促使学术界的研究人员开始寻找替代半导体，其中包括二维过渡金属二硫属化物和一维碳纳米管。而且，此类系统的功能也在持续快速发展。例如，仅在今年，《自然电子学》就报道了接触栅极间距小于 60 纳米的二硫化钼 (MoS2) 晶体管、用于二维器件集成的新型转移技术，以及用于制造范德华异质结构晶体管的二维电介质。在本期中，还有一篇关于在氧化锆 (ZrO2)—— 一种与工业兼容的高 k 电介质 —— 和二维二硫化钼之间形成清洁范德华界面的报道。

很难预测未来十年，甚至更遑论未来一百年，晶体管技术究竟会是什么样子。而新的平台 —— 例如基于忆阻器或量子比特的平台 —— 或许会在某个时候取代该技术在某些任务上的应用。尽管如此，晶体管作为现代科技的基石，似乎仍将在相当长的一段时间内保持主导地位。它的发展历程不仅见证了人类科技的进步，也为未来的科技发展奠定了坚实的基础。