基于偏压门控二维MoS2晶体管的通用逻辑块

更小、更聪明的计算“大脑”

现代芯片集成了数十亿个微小开关——晶体管，但要继续缩小它们变得越来越困难且昂贵。这项研究展示了一种利用仅有单分子厚度的超薄材料构建逻辑电路的新方法。通过巧妙的晶体管设计，研究者将多种不同的数字运算——例如加法和存储位——压缩到一个可重复使用的构件中。这有助于未来电子设备变得更强大、更紧凑且更节能。

一种新型开关

这项工作以一种称为二硫化钼（MoS2）的材料为中心，它能形成仅一原子厚的稳定薄片。这类二维晶层即使在器件被缩减到极端尺度时仍能保持优异的电子性能，使其成为未来芯片的有吸引力候选材料。挑战在于，标准硅技术依赖大量化学掺杂来形成互补的“导通”和“关断”行为，但在原子厚的晶体内几乎没有空间插入掺杂原子。因此，到目前为止大多数由2D材料构建的电路都属于更简单、效率较低的设计，需要更多功率并使用许多晶体管来实现基本逻辑功能。

用温和一推来控制行为

研究团队没有改变材料的化学成分，而是重塑了电场在每个晶体管内部的作用方式。他们的器件称为偏压门控场效应晶体管（BG‑FET），在精心选择的绝缘层之间夹入一层MoS2单层，并增加了一个在通道一侧不对称延伸的额外金属电极。通过选择该特殊电极位于源极还是漏极一侧并调整其电压，研究者可以改变电子进入或离开通道的难易程度。这实际上按需改变了晶体管的阈值电压，而无需改变材料本身。对大阵列器件的测量表明，这种行为具有均一性、在数周内稳定，并且在较高温度下也表现出鲁棒性。

从单个开关到可工作的电路

为展示其在实际逻辑中的有用性，研究者首先用两个结构相同的BG‑FET构建了一个反相器——这是最基本的数字元件，可将“0”翻转为“1”，反之亦然。只需将一个器件置于一种偏压模式、另一个置于相反模式，就能产生干净、全幅的输出，适合级联多个阶段。该反相器显示出高增益、低静态功耗和在数千次切换中的可靠性，可与采用更复杂、特别调校器件制成的最佳2D材料反相器相媲美。这表明可调阈值的BG‑FET可以被利用来简化电路设计。

一个模块，多种数字技巧

核心成果是由仅四个相同BG‑FET构成的“通用逻辑块”（GLB）。在这个紧凑电路中，每个晶体管都可以通过电子方式重新编程，输入和输出端口可互换。通过施加不同组合的控制电压，同一个物理模块可以实现多种逻辑功能：基本门如与（AND）、或（OR）和异或（XOR）；算术单元如半加器和多路选择器；甚至类似静态随机存取存储器的微型存储单元。传统的互补硅技术通常需要一百多个独立晶体管来实现相同功能集合，而GLB在单一、可重复使用的单元内就完成了这些功能。

构建更大的数字机器

由于GLB是一个灵活的构建模块，可以将多个GLB串联以创建更复杂的数字硬件。团队将四个GLB和若干反相器组合，构建了一个两位乘法器，用于计算两个小二进制数的乘积，这是处理器和信号处理芯片中的常见操作。他们还组装了处理时序数据的序列元件，包括对时钟信号响应并能进行频率分频的锁存器和触发器。在这些示例中，与标准设计相比，所需的BG‑FET器件数量减少了超过60%，暗示在芯片面积和布线复杂性方面可实现重大节约。

这对未来芯片可能意味着什么

简而言之，这项研究表明，一个由原子级薄材料构成并经过巧妙设计的单一开关可以被转化为数字逻辑的“多用途工具”。与为每个操作硬连线专用晶体管簇不同，相同的小型模块可以按需重新配置来完成加法、路由或数据存储。如果在大规模集成，这种偏压门控MoS2逻辑块可能促成更小、更具适应性的芯片，使微缩进程在传统硅技术接近极限时得以延续。

引用: Wei, X., Chen, Z., Chen, K. et al. Generic logic block based on bias-gated 2D MoS₂ transistors. Nat Commun 17, 3998 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70712-9

关键词: 二维半导体, MoS2晶体管, 可重构逻辑, 集成电路, 后CMOS技术