超越矽的晶體管
矽晶體管是用來放大和切換信號的重要元件，幾乎所有電子設備中都有使用，從智慧型手機到汽車都有它的身影。但是，矽半導體技術受到一個基本物理限制的影響，這使得晶體管無法在某個電壓以下運作。
這個限制被稱為「玻茲曼暴政」，它妨礙了電腦和其他電子設備的能量效率，尤其是在人工智慧技術快速發展的情況下，這些技術需要更快的計算能力。
為了克服矽的這個基本限制，麻省理工學院 (MIT) 的研究人員製造了一種不同類型的三維晶體管，使用了一組獨特的超薄半導體材料。
這些裝置的垂直納米線只有幾納米寬，能在比傳統設備更低的電壓下運行，同時提供與最先進的矽晶體管相當的性能。
麻省理工學院的博士後研究員和新晶體管論文的主要作者邵彥杰 (Yanjie Shao) 說：「這是一項有潛力取代矽的技術，可以用於矽目前擁有的所有功能，但能提供更好的能量效率。」
這些晶體管利用量子力學的特性，能在只有幾平方納米的區域內同時實現低電壓運行和高性能。它們的極小尺寸使得可以在電腦晶片上放置更多這種三維晶體管，從而產生更快、更強大且更節能的電子設備。
麻省理工學院電機工程與計算機科學系 (EECS) 的唐納工程教授 (Donner Professor of Engineering) 赫蘇斯·德阿拉莫 (Jesús del Alamo) 說：「在傳統物理下，你只能走到某個程度。邵彥的工作顯示我們可以做得更好，但我們必須使用不同的物理學。這種方法在未來商業化上還有很多挑戰，但從概念上來看，這確實是一項突破。」
這篇論文的共同作者還包括東京電力公司 (Tokyo Electric Power Company) 的核能工程教授和麻省理工學院材料科學與工程教授李舉 (Ju Li)；EECS 的研究生唐浩 (Hao Tang)；麻省理工學院的博士後王保名 (Baoming Wang)；以及義大利烏迪內大學 (University of Udine) 的馬可·帕拉 (Marco Pala) 和大衛·埃塞尼 (David Esseni) 教授。這項研究今天發表在《自然電子學》(Nature Electronics) 上。
超越矽的挑戰
在電子設備中，矽晶體管通常作為開關運作。對晶體管施加電壓會使電子越過能量障礙，從一側移動到另一側，將晶體管從「關閉」切換到「開啟」。透過切換，晶體管表示二進位數字來進行計算。
晶體管的切換斜率反映了「關閉」到「開啟」轉變的銳利程度。斜率越陡，啟動晶體管所需的電壓就越低，能量效率也越高。
但是，由於電子在能量障礙上移動的方式，玻茲曼暴政要求在室溫下切換晶體管時必須有一定的最低電壓。
為了克服矽的物理限制，麻省理工學院的研究人員使用了不同的半導體材料——銦砷 (Indium Arsenide) 和銦銻 (Gallium Antimonide)，並設計了他們的裝置以利用量子力學中的一種獨特現象，稱為量子隧道效應。
量子隧道效應是電子穿透障礙的能力。研究人員製造了隧道晶體管，利用這一特性來促使電子推過能量障礙，而不是越過它。
邵彥說：「現在，你可以非常輕鬆地開啟和關閉這個裝置。」
但是，雖然隧道晶體管可以實現銳利的切換斜率，但它們通常在低電流下運作，這會影響電子設備的性能。對於需要高性能的應用，必須有更高的電流來創建強大的晶體管開關。
精細的製造技術
利用麻省理工學院的先進納米研究設施 MIT.nano，工程師們能夠精確控制他們的晶體管的三維幾何形狀，創造出直徑僅為6納米的垂直納米線異質結構。他們相信這是迄今為止報導的最小三維晶體管。
這種精確的工程技術使他們能夠同時實現銳利的切換斜率和高電流。這是因為一種稱為量子限制的現象。
量子限制發生在電子被限制在一個如此小的空間中，以至於它無法自由移動。當這種情況發生時，電子的有效質量和材料的特性會改變，使電子能更強地穿透障礙。
由於晶體管非常小，研究人員可以設計出非常強的量子限制效應，同時製造出極薄的障礙。
邵彥說：「我們有很多靈活性來設計這些材料異質結構，以便實現非常薄的隧道障礙，這使我們能夠獲得非常高的電流。」
精確製造出足夠小的裝置以實現這一點是一個重大挑戰。
德阿拉莫說：「我們的工作真的進入了單納米的尺寸範圍。全世界只有少數團隊能在這個範圍內製造出良好的晶體管。邵彥非常有能力製作出如此小且運行良好的晶體管。」
當研究人員測試他們的裝置時，切換斜率的銳利程度低於傳統矽晶體管所能達到的基本限制。他們的裝置性能也比類似的隧道晶體管好約20倍。
邵彥補充道：「這是我們第一次能夠以這種設計實現如此銳利的切換斜率。」
研究人員現在正在努力改進他們的製造方法，以使晶體管在整個晶片上更加均勻。對於這麼小的裝置，即使是1納米的變化也會改變電子的行為並影響裝置的運作。他們還在探索垂直鰭狀結構，除了垂直納米線晶體管，這可能會改善晶片上裝置的均勻性。
阿夫扎利安 (Aryan Afzalian)，一位未參與這項工作的技術研究組織 imec 的主要成員，說：「這項工作無疑朝著正確的方向邁進，顯著提高了破隙隧道場效應晶體管 (TFET) 的性能。它展示了陡峭的斜率和創紀錄的驅動電流。它突顯了小尺寸、極端限制和低缺陷材料及界面在製造的破隙 TFET 中的重要性。這些特徵是通過精確掌握和納米尺寸控制的過程實現的。」
這項研究部分由英特爾公司 (Intel Corporation) 資助。
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