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达成要紧定义突破！MIT中国博后研制超高效3D晶体管

时间：2024-12-03 10:27来源：www.htxymx.com作者：未知点击：

麻省理工学院的研究职员开发了一种迄今可能最小的三维晶体管，它比现在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，他扔掉了传统物理学考虑问题的常规角度，基于量子力学原理达成了定义突破。

撰文 | 路飞

硅凭着其稳定的化学性质和易得性，一直是半导体材料的最佳选择。但伴随算力需要不断增长，传统硅半导体场效应晶体管因玻尔兹曼分布所带来的基本限制，很难通过器件微缩进一步提升能效。日前，麻省理工学院（MIT）博士后邵彦杰在nature electronics发文，证明纳米级晶体管或可克服硅半导体技术的局限性。

“这是一项有潜力取代硅的技术，你可以用它来达成硅现在拥有些几乎所有功能，但能效更高。”邵彦杰说。

邵彦杰丨图源：本人提供

“拆东墙补西墙可不可以”

硅一直盘踞半导体工业原材料第一的宝座，现在为什么坐不牢了呢？

大家日常容易见到的电子设施有一个必不可少的重点组件，即硅晶体管构成的芯片，用于放大和切换信号。但传统硅半导体受制于基本物理条件，没办法在低于特定电压的状况下工作，这种现象在业内被叫做“玻尔兹曼暴政”（“Boltzmann tyranny”）。伴随AI的进步，算力在呈指数级爆炸增长，“玻尔兹曼暴政”很大妨碍了计算机和其他电子商品的效率。

1960年，英特尔开创者之一戈登·摩尔依据切身体会指出，芯片上的晶体管数目大约每18~24个月翻一番。因此，研究职员不断挖空心思将尽量多的晶体管集成到芯片上，这就是微电子范围的黄金法则——“摩尔定律”。芯片越小，意味着本钱越低，这是工业界一直追求的理想状况。

直到21世纪，业界一直遵循着这肯定律，伴随年份推移，晶体管尺寸不断微缩，诞生出90 nm、65 nm、45 nm、32 nm、28 nm等典型工艺节点的尺寸——每一代制程节点都能在给定面积上，容纳比前一代多一倍的晶体管。

然而，伴随AI（人工智能）、物联网（IoT）等新技术的飞速发展，与半导体工艺和体系结构的改进，近年来，大伙渐渐对于“摩尔定律”是不是延缓或失效的话题产生了肯定的分歧，从而诞生出了多种技术演进策略。寻求替代硅的半导体材料与改变晶体管的结构成为科学家们前赴后继研究的热门。

在逻辑芯片中，晶体管一般用作开关。向晶体管施加电压会致使电子越过能垒从一侧移动到另一侧，从而将晶体管从“关”态切换到“开”态。晶体管可以通过切换开关状况表示二进制数字以实行计算。

晶体管的开关斜率反映了从“关”到“开”转换的速度。斜率越陡，打开晶体管所需的电压就越小，其性能就越好。因为“玻尔兹曼暴政”的限制，为了达成肯定的电流开关比，传统硅晶体管只有在高于肯定电压的状况下，才能在室温下稳定切换。因此，只有探寻达成更陡峭开关斜率的物理原理，才能使得晶体管的工作电压更小。

总的来讲，业内现在面临三个错综复杂的问题：怎么样设计尺寸更小的晶体管？怎么样寻求可替代的新材料克服硅的物理极限，在低电压下维持高性能工作，也即达成高的开态电流？怎么样使得晶体管的开关斜率愈加陡峭？

“其实这类年不少科研工作者都在相继研究这个范围”，邵彦杰表示，“有些学者缩小了晶体管的尺寸，但尺寸减少之后性能跟不上；有些学者在他们制作的晶体管中展示了陡峭的开关斜率，但性能跟不上，拆东墙补西墙，总的来讲，无法同时解决这三个拦路虎。”

“三管齐下”

这项研究课题贯穿了邵彦杰的整个博士生涯。邵彦杰是中国科技大学2015级物理学院本科生，毕业之后他前往麻省理工学院师从Jesús A. del Alamo教授，继续半导体有关的研究。

现在，具备进步成为第四代半导体技术潜力的主要体系有：窄带隙的锑化镓、铟化砷化合物半导体；超宽带隙的氧化物材料；其他各类低维材料如碳基纳米材料、二维原子晶体材料等。

为了克服硅的物理极限，邵彦杰学习并借鉴了前辈的成功经验，他用了不同于硅的半导体材料——锑化镓和砷化铟，设计了隧穿场效应晶体管。

伴随芯片上晶体管愈加多，不同晶体管地区之间的距离大大压缩。因此，过去足以阻挡电子的屏障变得很薄，使电子可以从中通过，通俗来讲，即是漏电。

尽管电子隧穿没办法阻止，但这一现象可以借助。与通过能垒高度来控制电流流动的金属氧化物半导体场效应晶体管不同，隧穿场效应晶体管的能垒维持高位，通过改变能垒一侧电子在另一侧出现的可能性，即可控制导通和关断。

然而，隧穿场效应晶体管的开态电流过小，这妨碍了它们在需要大电流以达成高效运行的应用场景中的性能。为知道决这个问题，邵彦杰研究了晶体管的三维几何形状。

“大家在设计这类材料异质结构方面有非常大的灵活性，因此可以达成很薄的隧穿能垒宽度，这使大家可以在较低工作电压下获得特别高的隧穿电流。”

精准制造足够小的晶体管以完成这项工作是一项重大挑战。伴随晶体管尺寸的不断缩小，制造这种纳米级器件变得愈加困难。为了设计更小的晶体管，需要可以以原子级的精度操纵材料。

邵彦杰用 MIT.nano（麻省理工学院的微纳加工实验室）的设施，控制晶体管的三维几何形状。这种精准的设计在制作的晶体管中达成了最强的量子限域效应，可以同时达成陡峭的开关斜率和高电流。此处需要补充介绍物理学中的量子限域效应，即当电子被限制在一个很小以至于几乎不可以移动的空间时，会致使能级量子化、能带间隙增大。这项研究初次发现这一效应可以使电子可以更强地穿过能垒。

“从原材料到最后器件成形，需要一个月左右。在读博期间，我历程了反复的失败。时间长也会产生自我怀疑，每次数据一出来，我就会问自己，是否真的走不通？这种心理是非常可怕的。”邵彦杰苦笑，“除去心理上，还有工艺上的困难，全程都是自己埋头钻研。不过成功那一刻真的太激动了，感觉自己又好了！”

最后，邵彦杰制造了直径仅为6纳米的纳米线异质结构，使用只有几纳米宽的垂直纳米线（堪比DNA链的宽度），可以提供与最早进的硅晶体管相当的性能，同时在比传统硅器件低得多的电压下高效运行。极小的尺寸将使更多此类晶体管可以封装到芯片上，从而满足电子设施迅速、强大且更节能的需要。

“用传统物理学考虑问题难有突破，彦杰的工作表明，大家可以做得更好，但大家需要扔掉常规角度。这项成就距离达成商业化还有很多挑战需要克服，但从定义上讲，它确实是一个突破。”导师Jesús A. del Alamo教授对邵彦杰的工作表示一定。

“从小就想成为科学家”

“我一直对物理比较有兴趣，从小就想成为科学家”，邵彦杰笑起来，“非常幸运自己能一直坚持下来”。

为了尽快找到自己有兴趣的研究方向，邵彦杰在本科期间曾进入多个课题组，同硕博师兄师姐一块交流学习，最后决定将物理学范围的理论常识迁移到半导体研究的实践中去。“科大是为了培养科学家诞生的，我其实非常幸运，可以在本科期间就得到完整的科研练习，让我对科研有了全方位的认识”，邵彦杰补充道。

这篇文章的发表并非一帆风顺。第一轮投稿是2023年7月，邵彦杰当时用的是博士毕业论文中的数据。因为数据不够理想，十月收到了拒稿公告。博后期间，他继续死磕该课题，2024年2月第三投稿，7月终于收到录用公告。

纳米电子学研究组织IMEC的主要技术成员Aryan Afzalian表示，“这项工作为以后的研究引导了正确的方向，显著提升了隧穿场效应晶体管（TFET）的性能。它展示了TFET可以达成陡峭的开关斜率和高驱动电流。这类功能是可以通过控制纳米级尺寸工艺达成的。”

“得知录用邮件的时候其实心里已经有底了，但仍然非常激动，立刻打电话给老婆和爸爸妈妈”，邵彦杰回忆起过往，“有时凌晨从实验室回去，路上和远在国内的老婆打电话推荐实验进展状况，目前终于有拿得出手的好消息了！”

对于将来研究规划，邵彦杰正在努力改进制造办法，以使晶体管在整个芯片上愈加均匀。对于这样小的器件，即便是1纳米的差异也会改变电子的行为并影响器件的运行。除去垂直纳米线晶体管外，他还在探索垂直鳍状结构，这或许会提升芯片上器件的均匀性。同时，他也在探索新的半导体材料在三维异质集成上的应用。

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