在現(xiàn)代電子設備的核心，硅晶體管扮演著至關重要的角色，其多功能性無可替代。然而，一個名為“波爾茲曼暴政”的物理極限，如同一道難以逾越的屏障，限制了硅晶體管在低于特定電壓下的運行能力。這一局限不僅阻礙了性能的進一步提升，還限制了其應用范圍，特別是在AI技術飛速發(fā)展、對計算能力需求日益增長的當下。

為了打破這一僵局，美國麻省理工學院的一支科研團隊取得了突破性進展。他們利用銻化鎵和砷化銦這兩種超薄半導體材料，成功研發(fā)出了一種全新的納米級3D晶體管。這項研究得到了英特爾公司的部分資助，成果已在《自然·電子學》雜志上發(fā)表（DOI:10.1038/s41928-024-01279-w）。

與傳統(tǒng)的硅晶體管相比，這種3D晶體管在結構上采用了垂直納米線場效應晶體管（VNFET）技術。通過垂直定向而非水平布局來管理電子流，這一創(chuàng)新設計巧妙地規(guī)避了水平晶體管所面臨的某些限制。更為驚人的是，這種3D晶體管的尺寸之小，堪稱迄今之最，其性能和功能不僅與現(xiàn)有硅基晶體管不相上下，甚至有所超越。

為了進一步優(yōu)化晶體管的尺寸，研究團隊還創(chuàng)造出了直徑僅為6納米的垂直納米線異質結構。這種新型晶體管能夠在遠低于傳統(tǒng)硅晶體管的電壓下高效運行，同時保持卓越的性能。麻省理工學院博士后、新晶體管論文的主要作者邵燕杰表示：“這項技術完全有潛力取代硅，成為現(xiàn)有硅晶體管領域的更高效替代品。”

團隊還將量子隧穿原理引入到了新型晶體管的架構中。在量子隧穿現(xiàn)象中，電子能夠穿越能量勢壘，而非像傳統(tǒng)理論那樣需要翻越。這一特性使得晶體管更容易被打開或關閉，從而在幾平方納米的尺度上同時實現(xiàn)了低電壓運行和高性能。這一創(chuàng)新有望推動芯片上3D晶體管的集成密度大幅提升，為開發(fā)出更快、更強、更節(jié)能的電子設備鋪平道路。

麻省理工學院電氣工程與計算機科學系的Donner工程學教授Jesús del Alamo對這項研究給予了高度評價：“傳統(tǒng)物理學已經走到了它的極限。而邵燕杰的工作表明，我們可以做得更好，但必須使用不同的物理學原理。盡管要使這種方法在未來實現(xiàn)商業(yè)化還面臨諸多挑戰(zhàn)，但從概念上講，這確實是一個重大的突破。”他進一步指出：“我們在這項工作中真正跨入了‘單納米’尺寸領域，世界上很少有團隊能夠制造出如此微小且功能良好的晶體管。”

除了Jesús del Alamo教授外，麻省理工學院的核工程和材料科學與工程教授、東京電力公司教授Ju Li，以及EECS博士生Hao Tang、MIT博士后Baoming Wang，還有意大利烏迪內大學的教授Marco Pala和David Esseni也參與了這項研究，共同見證了這一科學奇跡的誕生。