实现重要的概念突破！MIT中国博后开发超高效3D晶体管

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麻省理工学院的研究人员开发了一种可能最小的三维晶体管，比目前的硅基晶体管更节能、更强大。博士后邵彦杰是这项研究的主要作者。他基于量子力学原理，抛开传统物理思维的常规视角，完成了概念突破。

发文 | 路飞

硅因其稳定的化学性质和易得性，一直是半导体材料的首选。然而，随着计算能力需求的不断增加，玻尔兹曼分布带来的基本限制使得传统硅半导体场效应晶体管难以通过设备微缩进一步提高能效。最近，麻省理工学院（MIT）邵彦杰是博士后 nature electronics 确认纳米晶体管或可以克服硅半导体技术的局限性。

”邵彦杰说：“这是一种有潜力的替代硅的技术，你可以用它来实现硅目前几乎所有的功能，但是它的能效更高。

"拆东补西不行"

硅片一直占据着半导体工业原料的首位，现在为什么坐不牢？

在日常生活中，电子产品有一个不可缺少的关键部件，即硅晶体管组成的芯片，用于放大和转换信号。然而，由于基本的物理条件，传统硅半导体无法在低于特定电压的情况下工作。这种情况在业内被称为“玻尔兹曼暴政”(" Boltzmann tyranny "）。伴随着人工智能的发展，计算率呈指数级爆炸式增长，“玻尔兹曼暴政”极大地阻碍了计算机和其它电子产品的效率。

1960 年，戈登，英特尔创始人之一。 · 根据经验，摩尔指出，晶体管在芯片上的数量大约是每次。 18~24 一个月翻一番。因此，研究人员不断努力将尽可能多的晶体管集成到芯片中，这是微电子领域的黄金法则——“摩尔定律”。芯片越低，成本越低，这是行业一直追求的理想状态。

直到21世纪，行业一直遵循这一定律。随着年份的推移，晶体管的尺寸不断缩小，诞生了。 90 nm、65 nm、45 nm、32 nm、28 nm 等待典型工艺节点的大小——每一代工艺节点都可以在给定面积上容纳比前一代多一倍的晶体管。

但是，伴随着人工智能（AI）、物联网（IoT）近年来，随着新技术的不断发展和半导体技术和系统结构的改进，人们逐渐对“摩尔定律”是否减缓或失效的话题产生了一定的矛盾，从而产生了各种技术演变方案。寻找半导体材料来代替硅，改变晶体管的结构，已经成为科学家们一个接一个研究的热点。

在逻辑芯片中，晶体管通常用作开关。向晶体管施加电压会导致电子穿过能垒从一侧移动到另一侧，同时晶体管从“关闭”状态转换为“开启”状态。晶体管可以通过转换开关状态来表示二进制数字来计算。

晶体管的开关斜率反映了从“关闭”到“打开”的转换速率。斜率越陡，打开晶体管所需的电压越小，性能越好。由于“玻尔兹曼暴政”的限制，为了实现一定的电流开关比，传统的硅晶体管只有在高于一定电压的情况下才能在室温下顺利转换。因此，只有找到物理原理来实现更严重的开关斜率，晶体管的工作电压才能更小。

一般来说，目前行业面临三个复杂的问题:如何设计较小的晶体管？如何找到可替代的新材料，克服硅的物理极限，在低压下保持高性能工作，即实现高开态电流？如何让晶体管的开关斜率更加陡峭？

“然而，近年来，许多研究人员正在陆续研究这一领域。”邵彦杰说，“一些学者缩小了晶体管的尺寸，但在尺寸减小后，性能跟不上；一些学者在他们制作的晶体管中显示出陡峭的开关斜率，但他们的性能跟不上。一般来说，这三块绊脚石是无法同时解决的。”

“三管齐下”

这个研究项目贯穿了邵彦杰的整个博士生涯。中国科技大学邵彦杰 2015 一级物理学院的本科生，毕业后去了麻省理工学院。 Jes ú s A. del Alamo 继续进行半导体相关研究的教授。

目前，具有发展成为第四代半导体技术潜力的主要系统包括:窄带间隙、化砷化合物半导体、超宽带间隙氧化物；碳基纳米材料、二维原子晶体材料等其他低维材料。

为了克服硅的物理极限，邵彦杰学习并参考了前辈们的成功经验。他使用了半导体材料——钒化、砷化，这些材料不同于硅，并制定了隧道穿透效应晶体管。

随着芯片上晶体管越来越多，不同晶体管区域之间的距离被大大压缩。因此，曾经足以阻挡电子的屏障变得非常薄，这样电子就可以通过它。一般来说，是漏电。

虽然电子隧道无法阻止，但这种现象可以借助。与电流流动金属氧化物半导体场效应晶体管通过能垒高度调节不同，隧道效应晶体管的能垒保持在较高水平，通过改变能垒一侧电子出现在另一侧的概率，可以控制导通和关闭。

然而，隧道穿透效应晶体管的开态电流太小，阻碍了它们在需要大电流才能实现高效运行的应用场景中的性能。针对这种情况，邵彦杰讨论了晶体管的三维几何结构。

“我们在设计这些材料的异质结构时具有很大的灵活性，因此我们可以实现非常薄的隧道穿透能垒总宽度，这使我们能够在较低的工作电压下获得非常高的隧道穿透电流。”

为了完成这项工作，精确制造足够小的晶体管是一个巨大的挑战。随着晶体管尺寸的不断缩小，制造这种纳米设备变得更加困难。为了设计较小的晶体管，需要能够以原子级的精度控制材料。

邵彦杰使用 MIT.nano(麻省理工学院微纳加工实验室)设备，控制晶体管的三维几何结构。这一精确的设计在晶体管中完成了极强的量子限域效应，可以同时实现险峻的开关斜率和高电流。在这里，我们需要重新介绍物理中的量子限域效应，即当电子被限制在一个极小的几乎无法移动的空间时，它会导致能量级量子化和能量间隙增加。这项研究首次发现，这种效果能使电子更强地穿过能垒。

“从原材料到最终设备成型需要一个月的时间。在博士学习期间，我经历了反复的失败。时间长了也会带来负面悲观。每次数据出来，我都会问自己，是不是真的走不通？这种心理很可怕。”邵彦杰苦笑着说:“除了心理上，还有技术上的困难。我一直在努力学习。但是成功的那一刻真的很激动，我觉得我可以再做一次！”

最终，邵彦杰制造了一个直径。 6 纳米的纳米线异质结构，选择只有几纳米宽的垂直纳米线(堪比 DNA 链条的宽度)可以在比传统硅器件低得多的电压下高效运行，提供与最先进硅晶体管相当的性能。极小的尺寸会让更多这样的晶体管包装在芯片上，从而满足电子产品快速、强大、节能的需求。

“用传统的物理思维很难有所突破。彦杰的工作表明，我们可以做得更好，但我们必须抛开常规的视角。这一成果在商业化方面还有很多挑战需要克服，但从概念上来说，确实是一个突破。”导师 Jes ú s A. del Alamo 教授肯定了邵彦杰的工作。

"从小就想成为科学家"

邵彦杰笑着说：“我一直对物理很感兴趣，从小就想成为一名科学家。“我很幸运我能坚持下去。”

为了尽快找到自己喜欢的研究内容，邵彦杰在本科期间加入了几个研究小组，与硕士、博士、兄弟姐妹交流经验，最终决定将物理领域的理论知识转移到半导体探索的实践中。邵彦杰补充说:“科技大学诞生是为了培养科学家。”其实我很幸运能在本科期间获得完整的科研培训，让我对科研有了全面的了解。

这篇文章的发表并非一帆风顺。首次投稿是 2023 年 7 月份，邵彦杰在博士毕业论文中使用了数据。因为数据不理想，10 月收到拒绝通知。博后期间，他继续坚持这个话题，2024年 年 2 每月再次投稿，7 月终于收到了录用通知。

纳米电子研究机构 IMEC 主要技术成员 Aryan Afzalian “这项工作为今后的研究指引了正确的方向，显著提高了隧道穿场效应晶体管。（TFET）性能。它显示出来 TFET 可实现险峻的开关斜率和高驱动电流。该功能可通过控制纳米尺寸工艺实现。”

“当我得知录用电子邮件时，我其实很自信，但我仍然很兴奋，所以我立即给我的妻子和父母打了电话。”邵彦杰回忆起过去。“有时候凌晨从实验室回来，在路上打电话给远在中国的妻子分享实验进展。现在终于有好消息了！”

邵彦杰正在努力改进未来的研究计划中的制造方法，使晶体管在整个芯片中更加均匀。对于这么小的设备，即使是 1 纳米的差异也会改变电子行为，影响设备的运行。除垂直纳米晶体管外，他还在探索垂直鳍状结构，这可能会提高芯片上设备的均匀性。与此同时，他还在探索三维异质集成中新型半导体材料的应用。

参考资料

[ 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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