11 月 7 日消息，硅晶體管是現有電子設備中最關鍵的組件之一，具有多種重要功能，但由于其本身的局限性，無法以低于某個特定電壓運行。

這種基本物理限制被稱為“波爾茲曼暴政”，是擋在現代設備面前的一大阻礙，這無疑限制了其進一步提升性能、以及擴展適用范圍的能力，尤其是在當今 AI 技術快速發(fā)展且需要更快計算能力的背景下。

為了克服這一限制，美國麻省理工學院團隊利用由銻化鎵和砷化銦組成的超薄半導體材料，成功研制出一種全新的納米級 3D 晶體管。

值得一提的是，這項研究部分由英特爾公司資助。他們也使用了垂直納米線場效應晶體管（VNFET）技術，通過垂直定向結構而非傳統(tǒng)的水平布局來管理電子流，從而避開了與水平晶體管相關的一些限制。

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有硅基晶體管。相關研究成果已經發(fā)表于《自然?電子學》（附 DOI:10.1038 / s41928-024-01279-w）。

據介紹，為進一步降低新型晶體管“體型”，他們創(chuàng)建出直徑僅為 6nm 的垂直納米線異質結構。相比傳統(tǒng)硅晶體管可以在低得多的電壓下高效運行，且性能可與最先進的硅晶體管相媲美。

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

團隊還將量子隧穿原理引入新型晶體管架構內。在量子隧穿現象中，電子可以穿過而非翻越能量勢壘，這使得晶體管更容易被打開或關閉。

這些晶體管利用量子力學特性，在幾平方納米內同時實現低電壓運行和高性能，從而在芯片上集成更多的 3D 晶體管，有望開發(fā)出更快、更強的電子設備，同時更節(jié)能。

麻省理工學院電氣工程與計算機科學系 (EECS) 的 Donner 工程學教授 Jesús del Alamo 說，“憑借傳統(tǒng)物理學，我們只能走這么遠。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。要使這種方法在未來商業(yè)化，還有許多挑戰(zhàn)需要克服，但從概念上講，這確實是一個突破。”

Alamo 還提到，“我們在這項工作中真正邁入了‘單納米’尺寸。世界上很少有團隊能夠制造出如此小且功能良好的晶體管。”

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