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電晶體，它比目前的矽基電晶體更節能、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
矽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。但隨著算力需求不斷增長，傳統矽半導體場效應電晶體因玻爾茲曼分佈所帶來的基本限制，難以透過器件微縮排一步提高能效。近日，麻省理工學院（MIT）博士後邵彥傑在nature electronics發文，證明奈米級電晶體或可克服矽半導體技術的侷限性。
“這是一項有潛力取代矽的技術，你可以使用它來實現矽目前擁有的幾乎所有功能，但能效更高。”邵彥傑說。
邵彥傑丨圖源：本人提供
“拆東牆補西牆可不行”
矽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裝置有一個不可或缺的關鍵元件，即矽電晶體構成的晶片，用於放大和切換訊號。但是傳統矽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”）。隨著人工智慧的發展，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，晶片上的電晶體數量大約每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電晶體整合到晶片上，這就是微電子領域的黃金法則——“摩爾定律”。晶片越小，意味著成本越低，這是工業界一直追求的理想狀態。
直到二十一世紀，業界一直遵循著這一定律，隨著年份推移，電晶體尺寸不斷微縮，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電晶體。
然而，隨著人工智慧（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。尋求替代矽的半導體材料以及改變電晶體的結構成為科學家們前赴後繼研究的熱點。
在邏輯晶片中，電晶體通常用作開關。向電晶體施加電壓會導致電子越過能壘從一側移動到另一側，從而將電晶體從“關”態切換到“開”態。電晶體可以透過切換開關狀態表示二進位制數字以執行計算。
電晶體的開關斜率反映了從“關”到“開”轉換的速度。斜率越陡，開啟電晶體所需的電壓就越小，其效能就越好。由於“玻爾茲曼暴政”的限制，為了實現一定的電流開關比，傳統矽電晶體只有在高於一定電壓的情況下，才能在室溫下穩定切換。因此，只有尋找實現更陡峭開關斜率的物理原理，才能使得電晶體的工作電壓更小。
總的來說，業內目前面臨三個錯綜複雜的問題：如何設計尺寸更小的電晶體？如何尋求可替代的新材料克服矽的物理極限，在低電壓下保持高效能工作，也即實現高的開態電流？如何使得電晶體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，“有的學者縮小了電晶體的尺寸，但是尺寸降低之後效能跟不上；有的學者在他們製作的電晶體中展示了陡峭的開關斜率，但是效能跟不上，拆東牆補西牆，總的來說，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；超寬頻隙的氧化物材料；其他各類低維材料如碳基奈米材料、二維原子晶體材料等。
為了克服矽的物理極限，邵彥傑學習並借鑑了前輩的成功經驗，他使用了不同於矽的半導體材料——銻化鎵和砷化銦，設計了隧穿場效應電晶體。
隨著晶片上電晶體越來越多，不同電晶體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，使電子能夠從中透過，通俗來說，即是漏電。
儘管電子隧穿無法阻止，但這一現象可以利用。與透過能壘高度來控制電流流動的金氧半導體場效應電晶體不同，隧穿場效應電晶體的能壘保持高位，透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，隧穿場效應電晶體的開態電流過小，這阻礙了它們在需要大電流以實現高效執行的應用場景中的效能。為了解決這個問題，邵彥傑研究了電晶體的三維幾何形狀。
“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。”
精確製造足夠小的電晶體以完成這項工作是一項重大挑戰。隨著電晶體尺寸的不斷縮小，製造這種奈米級器件變得更加困難。為了設計更小的電晶體，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）的裝置，控制電晶體的三維幾何形狀。這種精確的設計在製作的電晶體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，每次資料一出來，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奈米的奈米線異質結構，採用只有幾奈米寬的垂直奈米線（堪比DNA鏈的寬度），可以提供與最先進的矽電晶體相當的效能，同時在比傳統矽器件低得多的電壓下高效執行。極小的尺寸將使更多此類電晶體能夠封裝到晶片上，從而滿足電子裝置快速、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資料。由於資料不夠理想，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。
奈米電子學研究組織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電晶體（TFET）的效能。它展示了TFET可以實現陡峭的開關斜率和高驅動電流。這些功能是可以透過控制奈米級尺寸工藝實現的。”
“得知錄用郵件的時候其實心裡已經有底了，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訊息了！”
對於未來研究規劃，邵彥傑正在努力改進製造方法，以使電晶體在整個晶片上更加均勻。對於如此小的器件，即使是1奈米的差異也會改變電子的行為並影響器件的執行。除了垂直奈米線電晶體外，他還在探索垂直鰭狀結構，這可能會提高晶片上器件的均勻性。同時，他也在探索新的半導體材料在三維異質整合上的應用。
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
特 別 提 示
1. 進入『返樸』微信公眾號底部選單“精品專欄“，可查閱不同主題系列科普文章。
2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關注公眾號，回覆四位陣列成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。
版權說明：歡迎個人轉發，任何形式的媒體或機構未經授權，不得轉載和摘編。轉載授權請在「返樸」微信公眾號內聯絡後臺。
