2026年6月14日——随着全球半导体产业进入所谓"2纳米（nm，十亿分之一米）工艺"时代，半导体芯片的核心部件 -- 晶体管的实际尺寸仍保持在10纳米以上。那么晶体管的实际可微缩极限到底在何处？韩国科学技术院（KAIST）的研究人员开发出一种技术，通过量子力学的原子级计算来预测这一极限。

韩国科学技术院（院长金光炯）14日宣布，由电气电子工学部金容勋教授领导的研究团队开发出一种计算设计技术，利用计算机模拟来分析和预测晶体管的微缩极限，这是开发下一代半导体器件面临的关键挑战。

晶体管是控制电流通断的超小型开关，是决定智能手机、人工智能计算机等所需半导体芯片性能与能效的关键部件。半导体行业通过不断缩小晶体管尺寸来实现更高性能和更低功耗。然而，当尺寸过小时，就会出现量子隧穿效应 -- 电子穿过通常无法逾越的能垒的量子力学现象 -- 使得电流控制变得困难。因此，在量子隧穿的边界内确定晶体管能制造到多小，是下一代半导体开发中的关键任务。

然而，通过实验直接确认晶体管的微缩极限几乎是不可能的。现有技术难以在原子级别精确控制和定量分析金属电极与半导体沟道（晶体管内部电流流经的路径）接触的区域。

研究团队通过利用基于第一性原理的计算方法解决了这一问题。该方法仅基于基本物理定律计算材料特性，不依赖实验数据。研究团队此前已开发并报告了一个名为"多空间约束搜索密度泛函理论（MS-DFT）"的新型理论-计算框架，通过精确分析金属电极与半导体接触界面处以及电子穿越该界面时发生的复杂量子现象，将第一性原理计算的范围从材料扩展到器件。

在本研究中，团队在此基础上构建了计算传输长度法（TLM）实验，这是提取接触电阻（金属电极-半导体界面对电流流动产生的电阻）的黄金标准实验技术。基于原子级TLM计算结果，研究团队确定了量子隧穿极限（电子停止泄漏并开始允许晶体管电流控制的长度）。

研究团队将这项技术应用于单层MoS₂（二硫化钼）器件，这是一种代表性二维半导体材料，可以做到原子层厚度，是下一代晶体管沟道的候选材料。结果，他们能够定量分析电子穿透沟道的深度，以及根据金属电极类型和接触原子几何结构，这在多大程度上阻碍了电流流动的控制。换言之，他们阐明了芯片可制造到多小的极限取决于所选择的金属和接触结构。这意味着，在实际制造晶体管之前，现在仅通过计算机模拟就可以预先预测器件的性能和极限。

根据研究结果，临界隧穿长度 -- 电子穿透进入沟道并开始影响晶体管运行的最大长度 -- 并非单一固定值。这个长度是一个设计变量，会随着金属的功函数（从金属中移除一个电子所需的最小能量）以及金属与半导体接触界面的接触结构而变化。这表明晶体管可被微缩的程度取决于材料组合和结构设计。

特别是，在所考虑的候选金属类型和接触结构中，研究团队确认电子停止泄漏的长度可以降低到4纳米以下。这一结果证明了制造出比目前水平更小的晶体管是可能的。

此外，研究团队还提出了一种通过组合不同特性的二维半导体来降低功耗的下一代半导体芯片设计策略。

这项研究的重要意义在于，它建立了一个平台，可以在实际制造半导体芯片之前预测微缩极限并设计最佳的器件配置。通过这种方式，有望在开发下一代超小型AI半导体器件的过程中减少试错并缩短开发周期。

金容勋教授表示："这项研究的意义在于，它为定义下一代晶体管究竟能制造到多小提出了新的物理标准。通过计算分析实验难以探测的亚10纳米尺度下的量子力学现象，我们为将这些发现应用于下一代晶体管设计开辟了一条道路。"

这项由金泰亨博士作为第一作者参与的研究，于5月28日在线发表在计算领域著名期刊《npj计算材料学》上，该刊是计算材料科学领域的顶级期刊。※ 论文标题：二维半导体中隧穿极限的第一性原理传输长度法模拟，DOI：https://doi.org/10.1038/s41524-026-02101-1

本研究得到了韩国国家研究基金会"中坚研究者计划"和"EDISON 2.0计划"等项目的支持。