超越硅极限：纳米3D晶体管或成AI低功耗未来之钥

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硅晶体管在信号的放大和开关中起着关键作用，几乎在所有电子设备中都不可或缺，从智能手机到汽车无不如此。然而，硅半导体技术因一种基本的物理极限所制约，无法在低于某个电压的情况下运行。

这种极限被称为“玻尔兹曼压制”，限制了计算机及其他电子设备的能效，尤其在当前人工智能技术飞速发展的背景下，能效问题尤为突出。

为了解决硅材料的这一根本性限制，MIT 的研究人员采用一套独特的超薄半导体材料，制造出一种不同类型的三维晶体管。

他们的器件采用仅几纳米宽的垂直纳米线设计，能在远低于传统设备的电压下高效运行，同时性能媲美最先进的硅晶体管。

“这种技术有可能取代硅，使之具备目前硅材料的所有功能，但能效更高，”MIT 博士后、论文主要作者 Yanjie Shao 说。

这些晶体管利用量子力学特性，在几平方纳米的面积内实现了低电压操作与高性能的平衡。由于体积极小，这些 3D 晶体管能够在计算机芯片上实现更高的集成密度，从而造就快速而高效的电子设备。

“在传统物理学的框架下，我们能走的路有限。但 Yanjie 的研究展示了通过不同的物理机制，我们能取得更好的成果。尽管这种技术商业化面临诸多挑战，但从概念上看，这确实是一项突破，”论文的资深作者、MIT 电气工程与计算机科学系（EECS）Donner 工程教授 Jesús del Alamo 说。

该论文的合作者还包括 MIT 核工程系东京电力公司教授兼材料科学与工程教授 Ju Li、EECS 研究生 Hao Tang、MIT 博士后 Baoming Wang，以及来自意大利乌迪内大学的教授 Marco Pala 和 David Esseni。该研究成果发表在Nature Electronics期刊上。

超越硅的极限

在电子设备中，硅晶体管通常用作开关。对晶体管施加电压后，电子会跨越一个能垒，从而使晶体管从“关”变为“开”，即完成一次开关操作。通过这种开关过程，晶体管以二进制方式进行计算。

晶体管的“开-关”斜率反映了开关转换的陡峭程度。斜率越陡，开启晶体管所需电压越低，能效也越高。

但由于电子在跨越能垒时的运动方式，玻尔兹曼压制要求晶体管在室温下需要一个最低电压才能完成切换。

为了突破硅材料的物理极限，MIT 的研究人员采用了不同的半导体材料组合——锑化镓和砷化铟，并利用量子力学中的一种独特现象——量子隧穿，设计了新型器件。

量子隧穿指的是电子穿透障碍的能力。研究人员制作的隧穿晶体管利用这一特性，使电子不必跨越能垒，而是穿透能垒，从而完成切换。

“现在，开启和关闭设备变得非常容易，”Shao 说道。

不过，虽然隧穿晶体管可以实现较陡的开关斜率，但通常电流较低，限制了其在高性能应用中的表现。为了满足复杂应用需求，需要更高的电流来驱动强大的晶体管开关。

精细制造

利用 MIT.nano 纳米级研究设施中的工具，工程师们能够精确控制晶体管的三维结构，构建出直径仅为 6 纳米的垂直纳米线异质结构。目前，这被认为是全球已报道的最小 3D 晶体管。

如此精密的工程设计使他们能够在实现高电流的同时保持陡峭的开关斜率。这是通过一种称为量子限域的现象实现的。

量子限域发生在电子被限制在一个极小空间中无法自由运动的情况下。在这种条件下，电子的有效质量和材料特性发生变化，使电子更容易穿过能垒。

由于晶体管体积极小，研究人员可以在制造极薄能垒的同时，设计出非常强的量子限域效应。

“我们在设计这些材料异质结构方面有很大的灵活性，从而能够实现非常薄的隧穿能垒，这使我们能够获得非常高的电流，”Shao 说。

制造足够小的器件以实现这一目标是一个重大挑战。

“我们现在真的进入了单纳米级的尺寸领域。全球只有少数团队能在这一范围内制作出高质量的晶体管。Yanjie 在如此极小的尺寸下制造出性能良好的晶体管，能力非凡，”del Alamo 说。

测试表明，这些器件的开关斜率小于传统硅晶体管的物理极限，其性能也比同类隧穿晶体管高出约 20 倍。

“这是我们第一次在这种设计中实现如此陡峭的开关斜率，”Shao 补充道。

目前，研究人员正努力改进制造工艺，以使整个芯片上的晶体管更为一致。在如此微小的器件中，哪怕1纳米的差异都会影响电子行为并改变器件的运行表现。他们还在探索垂直鳍状结构，以进一步提高芯片上器件的一致性。

“这项工作朝着正确的方向前进，大幅提升了断带隧穿场效应晶体管（TFET）的性能，展示了极陡斜率与创纪录的驱动电流，凸显了小尺寸、强限域效应以及低缺陷材料和界面的重要性，这些特性是通过精湛的纳米尺寸控制工艺实现的，”纳米电子研究机构 imec 的高级技术员 Aryan Afzalian 评论道，他并未参与该项研究。

这项研究部分由英特尔公司资助。

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