實現重要概念突破！MIT中國博後研製超高效3D晶體管_風聞

麻省理工學院的研究人員開發了一種迄今可能最小的三維晶體管，它比目前的硅基晶體管更節能、更強大。博士後邵彥傑是這項研究的主要作者，他拋卻了傳統物理學思考問題的常規角度，基於量子力學原理實現了概念突破。

撰文 | 路飛

硅憑藉其穩定的化學性質和易得性，一直是半導體材料的首選。但隨着算力需求不斷增長，傳統硅半導體場效應晶體管因玻爾茲曼分佈所帶來的基本限制，難以通過器件微縮進一步提高能效。近日，麻省理工學院（MIT）博士後邵彥傑在nature electronics發文，證明納米級晶體管或可克服硅半導體技術的侷限性。

“這是一項有潛力取代硅的技術，你可以使用它來實現硅目前擁有的幾乎所有功能，但能效更高。”邵彥傑説。

邵彥傑丨圖源：本人提供

“拆東牆補西牆可不行”

硅一直盤踞半導體工業原材料第一的寶座，如今為何坐不牢了呢？

我們生活中常見的電子設備有一個不可或缺的關鍵組件，即硅晶體管構成的芯片，用於放大和切換信號。但是傳統硅半導體受制於基本物理條件，無法在低於特定電壓的情況下工作，這種現象在業內被稱為“玻爾茲曼暴政”（“Boltzmann tyranny”）。隨着人工智能的發展，算力在呈指數級爆炸增長，“玻爾茲曼暴政”極大阻礙了計算機和其他電子產品的效率。

1960年，英特爾創始人之一戈登·摩爾根據經驗之談指出，芯片上的晶體管數量大約每18~24個月翻一番。因此，研究人員不斷想方設法將盡可能多的晶體管集成到芯片上，這就是微電子領域的黃金法則——“摩爾定律”。芯片越小，意味着成本越低，這是工業界一直追求的理想狀態。

直到二十一世紀，業界一直遵循着這一定律，隨着年份推移，晶體管尺寸不斷微縮，誕生出90 nm、65 nm、45 nm、32 nm、28 nm等典型工藝節點的尺寸——每一代製程節點都能在給定面積上，容納比前一代多一倍的晶體管。

然而，隨着人工智能（AI）、物聯網（IoT）等新技術的快速發展，以及半導體工藝和體系結構的改進，近年來，大家逐漸對於“摩爾定律”是否延緩或失效的話題產生了一定的分歧，從而誕生出了多種技術演進方案。尋求替代硅的半導體材料以及改變晶體管的結構成為科學家們前赴後繼研究的熱點。

在邏輯芯片中，晶體管通常用作開關。向晶體管施加電壓會導致電子越過能壘從一側移動到另一側，從而將晶體管從“關”態切換到“開”態。晶體管可以通過切換開關狀態表示二進制數字以執行計算。

晶體管的開關斜率反映了從“關”到“開”轉換的速度。斜率越陡，打開晶體管所需的電壓就越小，其性能就越好。由於“玻爾茲曼暴政”的限制，為了實現一定的電流開關比，傳統硅晶體管只有在高於一定電壓的情況下，才能在室温下穩定切換。因此，只有尋找實現更陡峭開關斜率的物理原理，才能使得晶體管的工作電壓更小。

總的來説，業內目前面臨三個錯綜複雜的問題：如何設計尺寸更小的晶體管？如何尋求可替代的新材料克服硅的物理極限，在低電壓下保持高性能工作，也即實現高的開態電流？如何使得晶體管的開關斜率更加陡峭？

“其實這些年很多科研工作者都在相繼研究這個領域”，邵彥傑表示，“有的學者縮小了晶體管的尺寸，但是尺寸降低之後性能跟不上；有的學者在他們製作的晶體管中展示了陡峭的開關斜率，但是性能跟不上，拆東牆補西牆，總的來説，沒辦法同時解決這三個攔路虎。”

“三管齊下”

這項研究課題貫穿了邵彥傑的整個博士生涯。邵彥傑是中國科學技術大學2015級物理學院本科生，畢業之後他前往麻省理工學院師從Jesús A. del Alamo教授，繼續半導體相關的研究。

目前，具有發展成為第四代半導體技術潛力的主要體系有：窄帶隙的銻化鎵、銦化砷化合物半導體；超寬帶隙的氧化物材料；其他各類低維材料如碳基納米材料、二維原子晶體材料等。

為了克服硅的物理極限，邵彥傑學習並借鑑了前輩的成功經驗，他使用了不同於硅的半導體材料——銻化鎵和砷化銦，設計了隧穿場效應晶體管。

隨着芯片上晶體管越來越多，不同晶體管區域之間的距離大大壓縮。因此，曾經足以阻擋電子的屏障變得非常薄，使電子能夠從中通過，通俗來説，即是漏電。

儘管電子隧穿無法阻止，但這一現象可以利用。與通過能壘高度來控制電流流動的金屬氧化物半導體場效應晶體管不同，隧穿場效應晶體管的能壘保持高位，通過改變能壘一側電子在另一側出現的可能性，即可控制導通和關斷。

然而，隧穿場效應晶體管的開態電流過小，這阻礙了它們在需要大電流以實現高效運行的應用場景中的性能。為了解決這個問題，邵彥傑研究了晶體管的三維幾何形狀。

“我們在設計這些材料異質結構方面有很大的靈活性，因此可以實現非常薄的隧穿能壘寬度，這使我們能夠在較低工作電壓下獲得非常高的隧穿電流。”

精確製造足夠小的晶體管以完成這項工作是一項重大挑戰。隨着晶體管尺寸的不斷縮小，製造這種納米級器件變得更加困難。為了設計更小的晶體管，需要能夠以原子級的精度操縱材料。

邵彥傑使用 MIT.nano（麻省理工學院的微納加工實驗室）的設備，控制晶體管的三維幾何形狀。這種精確的設計在製作的晶體管中實現了極強的量子限域效應，能夠同時實現陡峭的開關斜率和高電流。此處需要補充介紹物理學中的量子限域效應，即當電子被限制在一個非常小以至於幾乎不能移動的空間時，會導致能級量子化、能帶間隙增大。這項研究首次發現這一效應可以使電子能夠更強地穿過能壘。

“從原材料到最終器件成形，需要一個月左右。在讀博期間，我經歷了反覆的失敗。時間長也會產生自我懷疑，每次數據一出來，我就會問自己，是不是真的走不通？這種心理是很可怕的。”邵彥傑苦笑，“除了心理上，還有工藝上的困難，全程都是自己埋頭鑽研。不過成功那一刻真的太激動了，覺得自己又可以了！”

最終，邵彥傑製造了直徑僅為6納米的納米線異質結構，採用只有幾納米寬的垂直納米線（堪比DNA鏈的寬度），可以提供與最先進的硅晶體管相當的性能，同時在比傳統硅器件低得多的電壓下高效運行。極小的尺寸將使更多此類晶體管能夠封裝到芯片上，從而滿足電子設備快速、強大且更節能的需求。

“使用傳統物理學思考問題難有突破，彥傑的工作表明，我們可以做得更好，但我們必須拋卻常規角度。這項成果距離實現商業化還有許多挑戰需要克服，但從概念上講，它確實是一個突破。”導師Jesús A. del Alamo教授對邵彥傑的工作表示肯定。

“從小就想成為科學家”

“我一直對物理比較感興趣，從小就想成為科學家”，邵彥傑笑起來，“很幸運自己能一直堅持下來”。

為了儘快找到自己感興趣的研究方向，邵彥傑在本科期間曾進入多個課題組，同碩博師兄師姐一起交流學習，最終決定將物理學領域的理論知識遷移到半導體研究的實踐中去。“科大是為了培養科學家誕生的，我其實很幸運，能夠在本科期間就得到完整的科研訓練，讓我對科研有了全面的認識”，邵彥傑補充道。

這篇文章的發表並不是一帆風順。第一輪投稿是2023年7月，邵彥傑當時使用的是博士畢業論文中的數據。由於數據不夠理想，10月收到了拒稿通知。博後期間，他繼續死磕該課題，2024年2月再次投稿，7月終於收到錄用通知。

納米電子學研究組織IMEC的主要技術成員Aryan Afzalian表示，“這項工作為今後的研究指引了正確的方向，顯著提高了隧穿場效應晶體管（TFET）的性能。它展示了TFET可以實現陡峭的開關斜率和高驅動電流。這些功能是可以通過控制納米級尺寸工藝實現的。”

“得知錄用郵件的時候其實心裏已經有底了，但仍然很激動，立刻打電話給老婆和父母”，邵彥傑回憶起過往，“有時候凌晨從實驗室回去，路上和遠在國內的老婆打電話分享實驗進展情況，現在終於有拿得出手的好消息了！”

對於未來研究規劃，邵彥傑正在努力改進製造方法，以使晶體管在整個芯片上更加均勻。對於如此小的器件，即使是1納米的差異也會改變電子的行為並影響器件的運行。除了垂直納米線晶體管外，他還在探索垂直鰭狀結構，這可能會提高芯片上器件的均勻性。同時，他也在探索新的半導體材料在三維異質集成上的應用。

參考資料

[1] https://www.nature.com/articles/s41928-024-01279-w

[2] https://news.mit.edu/2024/nanoscale-transistors-could-enable-more-efficient-electronics-1104

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