硅晶体管用于放大和切换信号，是大多数电子设备（从智能手机到汽车）中的关键组件。但硅半导体技术受到一种基本物理限制的制约，阻止晶体管在某一特定电压以下工作。
这一限制被称为“玻尔兹曼暴政”，它妨碍了计算机和其他电子设备的能效，尤其是在快速发展的人工智能技术需要更快计算的背景下。
为了克服硅的这一基本限制，麻省理工学院的研究人员使用一组独特的超薄半导体材料制造了一种不同类型的三维晶体管。
他们的设备采用仅几纳米宽的垂直纳米线，能够在比传统设备更低的电压下高效运行，同时提供与最先进的硅晶体管相当的性能。
麻省理工学院的博士后研究员、该新型晶体管论文的主要作者邵彦杰表示：“这是一项有潜力取代硅的技术，因此你可以用它实现硅目前具备的所有功能，但能效要好得多。”
这些晶体管利用量子力学特性，在仅几平方纳米的区域内同时实现低电压操作和高性能。它们极小的尺寸将使得更多的3D晶体管能够被集成到计算机芯片上，从而实现快速、强大的电子设备，同时也更节能。
麻省理工学院电气工程与计算机科学系（EECS）的资深作者、唐纳工程教授赫苏斯·德尔阿拉莫表示：“在传统物理下，你只能走到某个程度。邵彦的工作表明我们可以做得更好，但我们必须使用不同的物理学。为了使这种方法在未来商业化，还有许多挑战需要克服，但从概念上讲，这确实是一个突破。”
论文的合作者还包括东京电力公司核工程教授、麻省理工学院材料科学与工程教授李炬；EECS研究生唐浩；麻省理工学院博士后王保明；以及意大利乌迪内大学的教授马尔科·帕拉和大卫·埃塞尼。该研究今天在《自然电子学》上发表.
超越硅
在电子设备中，硅晶体管通常作为开关工作。对晶体管施加电压会导致电子越过能量障碍从一侧移动到另一侧，将晶体管从“关闭”切换到“打开”。通过切换，晶体管表示二进制数字以执行计算。
晶体管的切换斜率反映了“关闭”到“打开”过渡的陡峭程度。斜率越陡，开启晶体管所需的电压越小，能效越高。
但由于电子在能量障碍上移动的方式，玻尔兹曼暴政要求在室温下切换晶体管时必须有一定的最小电压。
为了克服硅的物理限制，麻省理工学院的研究人员使用了一组不同的半导体材料——锑化镓和砷化铟——并设计他们的设备以利用量子力学中的一种独特现象，称为量子隧穿。
量子隧穿是电子穿透障碍的能力。研究人员制造了隧穿晶体管，利用这一特性鼓励电子穿过能量障碍，而不是越过它。
邵彦杰表示：“现在，你可以非常轻松地打开和关闭设备。”
但尽管隧穿晶体管可以实现陡峭的切换斜率，它们通常以低电流工作，这限制了电子设备的性能。高电流是为要求高的应用创建强大晶体管开关所必需的。
精细制造
利用麻省理工学院的纳米研究最先进设施MIT.nano，工程师们能够仔细控制他们晶体管的3D几何形状，创造出直径仅为6纳米的垂直纳米线异质结构。他们认为这些是迄今为止报道的最小的3D晶体管。
如此精确的工程使他们能够同时实现陡峭的切换斜率和高电流。这是由于一种称为量子限制的现象。
量子限制发生在电子被限制在一个如此小的空间中，以至于它无法移动。当这种情况发生时，电子的有效质量和材料的特性发生变化，使得电子通过障碍的隧穿能力增强。
由于晶体管非常小，研究人员可以在制造极薄的障碍的同时，工程出非常强的量子限制效应。
邵彦杰表示：“我们在设计这些材料异质结构时有很大的灵活性，因此我们可以实现非常薄的隧穿障碍，这使我们能够获得非常高的电流。”
精确制造出足够小以实现这一目标的设备是一个重大挑战。
德尔阿拉莫表示：“我们在这项工作中确实进入了单纳米维度。世界上很少有团队能够在这个范围内制造出良好的晶体管。邵彦杰在制造如此极小且功能良好的晶体管方面非常出色。”
当研究人员测试他们的设备时，切换斜率的陡峭程度低于传统硅晶体管可以达到的基本限制。他们的设备的性能也比类似的隧穿晶体管高出约20倍。
邵彦杰补充道：“这是我们第一次能够通过这种设计实现如此陡峭的切换斜率。”
研究人员现在正在努力改进他们的制造方法，以使晶体管在整个芯片上更加均匀。对于如此小的设备，即使是1纳米的变化也会改变电子的行为并影响设备的操作。他们还在探索垂直鳍状结构，除了垂直纳米线晶体管，这可能会改善芯片上设备的均匀性。
阿里安·阿夫扎利安（Aryan Afzalian）表示：“这项工作无疑朝着正确的方向迈出了重要一步，显著提高了断隙隧道场效应晶体管（TFET）的性能。它展示了陡峭的斜率以及创纪录的驱动电流。它突显了小尺寸、极端限制和低缺陷材料及界面在制造的断隙TFET中的重要性。这些特征是通过精确掌握和纳米级控制的过程实现的。”阿夫扎利安是纳米电子学研究组织imec的主要技术人员，他并未参与这项工作。
这项研究部分由英特尔公司资助。
