韩国科学技术院研究团队提出晶体管缩小物理极限值预测新方法

半导体工业通过不断缩小晶体管尺寸来提升算力并降低功耗，但物理极限的存在制约了进一步微缩。韩国科学技术院研究团队近日提出一种基于量子力学的原子尺度计算方法，用于预测晶体管缩小物理极限值的新路径。该成果已于最新一期《计算材料学》期刊发表。

原子尺度计算：从量子力学推导极限边界

所谓“原子尺度计算”，是指研究团队利用量子力学原理，在原子层面模拟晶体管材料与结构的电学行为，从而直接推算出器件能够可靠工作的最小物理尺寸。该方法不依赖传统经验模型，而是基于底层物理规律进行精确预测。

相关成果发表于新一期《计算材料学》期刊。该成果有望加快下一代超小型AI半导体器件的研发进程。

对产业的影响：加速AI芯片尺寸突破

当前半导体行业已接近传统硅晶体管的尺寸极限，而该方法为探索新型材料与结构提供了理论参考。研究团队指出，该预测框架可帮助设计者提前规避尺寸过小导致的量子隧穿、漏电流等失效风险，从而加快适用于人工智能场景的超小型半导体器件的研发速度。

• 传统方法依赖实验试错，原子尺度计算可降低研发成本与周期
• 特别适用于需要极致能效比的AI加速器芯片设计
• 该方法可推广至其他新兴半导体材料体系

我国科研团队计算验证晶体管缩放极限可至4纳米以下

随着晶体管尺寸不断逼近物理极限，量子隧穿效应导致电流控制难度剧增。如何明确晶体管在量子效应影响下的缩放极限，已成为下一代芯片研发的核心难题。近日，研究团队通过第一性原理计算与多空间约束搜索密度泛函理论（MS-DFT）框架，成功将计算能力从材料层面扩展至器件层面，直接验证了金属—半导体接触界面的量子行为，并定量分析了隧穿发生的临界尺度。

“从头算”方法破解原子尺度接触结构难题

实验上难以在原子尺度精确控制并定量分析金属电极与半导体沟道之间的接触结构，这使得晶体管缩放极限一直难以被直接验证。针对这一困境，研究团队采用“从头算”（ab initio）第一性原理计算方法——即基于基本物理定律而非实验参数来计算材料性质，并在此前提出的MS-DFT框架基础上进行扩展，从而精确描述金属电极与半导体界面及电子输运中的量子行为。

以单层二硫化钼为模型，系统分析电子渗透行为

团队开展了“计算版传输长度法”分析，以提取金属—半导体接触电阻，并据此确定量子隧穿发生的临界尺度。研究选取单层二硫化钼（MoS₂）这一典型二维半导体材料作为模型，系统分析了电子在沟道中的渗透行为及其对不同金属电极和接触结构的依赖关系。

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”并不是统一常数，而是受金属功函数及接触界面原子结构共同调控的设计变量。

临界长度可缩小至4纳米以下，揭示继续微缩潜力

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，显示出晶体管继续微缩的潜在空间。这一发现为下一代芯片的器件设计提供了重要的理论依据和计算路径。