11 月 7 日消息，硅晶體管是現(xiàn)有電子設(shè)備中最關(guān)鍵的組件之一，具有多種重要功能，但由于其本身的局限性，無(wú)法以低于某個(gè)特定電壓運(yùn)行。

這種基本物理限制被稱為“波爾茲曼暴政”，是擋在現(xiàn)代設(shè)備面前的一大阻礙，這無(wú)疑限制了其進(jìn)一步提升性能、以及擴(kuò)展適用范圍的能力，尤其是在當(dāng)今 AI 技術(shù)快速發(fā)展且需要更快計(jì)算能力的背景下。

為了克服這一限制，美國(guó)麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)利用由銻化鎵和砷化銦組成的超薄半導(dǎo)體材料，成功研制出一種全新的納米級(jí) 3D 晶體管。

值得一提的是，這項(xiàng)研究部分由英特爾公司資助。他們也使用了垂直納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管（VNFET）技術(shù)，通過(guò)垂直定向結(jié)構(gòu)而非傳統(tǒng)的水平布局來(lái)管理電子流，從而避開(kāi)了與水平晶體管相關(guān)的一些限制。

這是迄今已知最小的 3D 晶體管，其性能和功能可比肩甚至超越現(xiàn)有硅基晶體管。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表于《自然?電子學(xué)》（附 DOI:10.1038 / s41928-024-01279-w）。

據(jù)介紹，為進(jìn)一步降低新型晶體管“體型”，他們創(chuàng)建出直徑僅為 6nm 的垂直納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)硅晶體管可以在低得多的電壓下高效運(yùn)行，且性能可與最先進(jìn)的硅晶體管相媲美。

MIT 博士后、新晶體管論文的主要作者邵燕杰（Yanjie Shao）表示，“這項(xiàng)技術(shù)有可能取代硅，你可以任意將其用于現(xiàn)有的硅晶體管領(lǐng)域，且效率更高。”

團(tuán)隊(duì)還將量子隧穿原理引入新型晶體管架構(gòu)內(nèi)。在量子隧穿現(xiàn)象中，電子可以穿過(guò)而非翻越能量勢(shì)壘，這使得晶體管更容易被打開(kāi)或關(guān)閉。

這些晶體管利用量子力學(xué)特性，在幾平方納米內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)低電壓運(yùn)行和高性能，從而在芯片上集成更多的 3D 晶體管，有望開(kāi)發(fā)出更快、更強(qiáng)的電子設(shè)備，同時(shí)更節(jié)能。

麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系 (EECS) 的 Donner 工程學(xué)教授 Jesús del Alamo 說(shuō)，“憑借傳統(tǒng)物理學(xué)，我們只能走這么遠(yuǎn)。Yanjie 的工作表明，我們可以做得更好，但我們必須使用不同的物理學(xué)。要使這種方法在未來(lái)商業(yè)化，還有許多挑戰(zhàn)需要克服，但從概念上講，這確實(shí)是一個(gè)突破。”

Alamo 還提到，“我們?cè)谶@項(xiàng)工作中真正邁入了‘單納米’尺寸。世界上很少有團(tuán)隊(duì)能夠制造出如此小且功能良好的晶體管。”

除他以外，麻省理工學(xué)院核工程和材料科學(xué)與工程教授、東京電力公司教授 Ju Li；EECS 博士生 Hao Tang；MIT 博士后 Baoming Wang；以及意大利烏迪內(nèi)大學(xué)教授 Marco Pala 和 David Esseni 也參與了該論文。

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