二维晶体管的性能是否被夸大？

杜克大学工程师证实，测试二维器件的常规器件架构，会将其性能预期高估多达 6 倍

近二十年来，二维半导体一直被视作硅基晶体管的补充甚至潜在替代方案，这类材料有望打造出尺寸更小、运行更快、能效更高的处理器。

为简化二维半导体的生产与测试流程，该领域的大部分研究都采用某一特定器件架构来测试其性能潜力，而这一架构会引发一种名为“接触栅控”的现象。

如今，美国杜克大学电子工程师团队的一项研究发现表明，这种测试方法会大幅夸大二维晶体管的纸面性能，且相关测试结果无法转化为实际的商用技术。

这项题为《基于对称双栅结构的接触栅控对单层二维晶体管尺寸缩放的影响》的研究，由杜克大学电子与计算机工程系教授艾伦・富兰克林的实验室完成，于 2026 年 2 月 17 日在线发表于《美国化学会・纳米》期刊。

富兰克林表示：“绝大多数宣称二维晶体管具备高性能的研究，所采用的器件设计都与商用技术不兼容。我们的研究证实，这种设计会改变晶体管的工作方式，进而大幅夸大其性能表现。如果忽略这一因素，就很难客观评估这类材料在未来晶体管技术中实际的表现。”

在研究二维材料的性能时，科研人员通常会采用简易的“背栅”架构：将晶体管的所有元件集成在单块硅片上，既便于制造，也能开展快速实验。在该架构中，二硫化钼等超薄二维半导体材料被置于两个金属接触电极之间，电流通过电极流经半导体，而硅衬底则被用作栅极，实现对电流通断的控制。

但这一栅极的作用并非仅调节二维半导体的沟道：在背栅架构中，栅极还会对金属电极下方的半导体区域产生影响，由此引发 “接触栅控” 现象 —— 该效应会通过栅极降低接触电阻，从而放大晶体管的性能。

“性能放大听起来是件好事，” 富兰克林说，“但这种架构虽非常适合实验室的基础测试，却存在速度、漏电流等物理层面的局限性，无法应用于实际的器件技术研发。”

为揭示这一存在于数百项二维晶体管实验室研究中的关键影响因素，富兰克林实验室的博士生维多利亚・拉维尔耗时一年，设计并制作出一种全新的器件架构，让研究团队能够直接测量接触栅控对晶体管性能的改变幅度。

她研制出了对称双栅晶体管，在同一片二维半导体沟道、接触电极及相关材料的上下方均设置了栅极。仅通过背栅或顶栅控制器件这一唯一变量，就能确定接触栅控现象是否存在，从而实现对晶体管性能的一对一对比测试。

拉维尔表示：“器件制造的过程中，永远会遇到意想不到的问题。当在如此微小的尺度下进行制造时，受物理条件的限制，很多操作都会变得极具挑战性。”

研究结果令人震惊：在尺寸较大的器件中，接触栅控大约会让性能翻倍；而当拉维尔将器件尺寸缩小至未来技术所需的微纳尺度时，接触栅控的效应进一步增强。在沟道长度 50 纳米、接触电极长度 30 纳米的器件中，接触栅控将晶体管的性能高估了多达 6 倍。

富兰克林解释道，随着器件尺寸不断缩小，接触电极对器件整体性能的影响会占据主导地位，任何能改变接触电极特性的机制，其作用都会变得愈发重要。而多年来，绝大多数二维晶体管的研究成果均基于背栅架构完成，因此富兰克林与拉维尔的这项研究具有广泛的参考意义。

该研究团队下一步计划进一步缩小器件尺寸，将接触电极的长度降至 15 纳米，并研究采用新型接触金属来降低接触电阻。团队的长远目标是，为将二维半导体集成至未来的晶体管技术中，制定更清晰的设计准则。

富兰克林说：“如果二维材料未来真的要取代硅基沟道，我们就必须客观认识到器件架构会对测试结果产生怎样的影响。这项研究正是为奠定这一基础而开展。”

本研究得到了美国国家科学基金会的资助。