硅晶体管用于放大和切换信号，是大多数电子设备（从智能手机到汽车）的关键部件。但硅半导体技术受到基本物理限制的阻碍，即晶体管无法在特定电压以下工作。
这种限制被称为“玻尔兹曼暴政（Boltzmann tyranny）”，阻碍了计算机和其他电子设备的能源效率，尤其是在人工智能技术快速发展、需要更快计算速度的情况下。
据外媒报道，为了克服硅的这一基本限制，麻省理工学院（MIT）的研究人员使用一组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。相关研究发表在期刊《Nature Electronics》。
图片来源：期刊《Nature Electronics》
该设备采用只有几纳米宽的垂直纳米线，可以提供与最先进的硅晶体管相当的性能，同时在比传统设备低得多的电压下高效运行。
“这项技术有潜力取代硅，因此你可以使用它实现硅目前具有的所有功能，但能源效率要高得多，”麻省理工学院博士后、新晶体管论文的主要作者Yanjie Shao说道。
晶体管利用量子力学特性，在仅几平方纳米的面积内同时实现低压操作和高性能。它们极小的尺寸将使更多3D晶体管能够封装到计算机芯片上，从而产生快速、强大且更节能的电子产品。
“传统物理学只能走这么远。Yanjie的工作表明我们可以做得更好，但我们必须使用不同的物理学。这种方法在未来实现商业化还有许多挑战需要克服，但从概念上讲，这确实是一个突破，”资深作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学系Donner工程教授Jesús del Alamo说道。
超越硅
在电子设备中，硅晶体管通常用作开关。向晶体管施加电压会导致电子越过能量屏障从一侧移动到另一侧，从而将晶体管从“关闭”切换到“打开”。通过切换，晶体管代表二进制数字以执行计算。
晶体管的开关斜率反映了“关闭”到“打开”转换的锐度。斜率越陡，打开晶体管所需的电压越小，其能效越高。
但由于电子跨越能垒的方式，玻尔兹曼暴政需要一定的最小电压才能在室温下切换晶体管。为了克服硅的物理极限，麻省理工学院的研究人员使用了一组不同的半导体材料——锑化镓和砷化铟——并设计出新设备，以利用量子力学中一种名为量子隧穿（quantum tunneling）的独特现象。
量子隧穿是指电子穿透屏障的能力。研究人员制造了隧穿晶体管，利用这一特性来鼓励电子穿过能量屏障而不是越过它。
“现在，你可以非常轻松地打开和关闭设备，”Shao表示。但是，虽然隧穿晶体管可以实现急剧的开关斜率，但它们通常在低电流下工作，这会妨碍电子设备的性能。需要更高的电流来为要求苛刻的应用创建强大的晶体管开关。
精细制造
利用麻省理工学院最先进的纳米级研究设施MIT.nano的工具，工程师们能够精确控制晶体管的3D几何形状，创造出直径仅为6纳米的垂直纳米线异质结构。这也是迄今为止报道的最小的3D晶体管。
如此精确的工程设计使工程师们能够同时实现陡峭的开关斜率和高电流。这是由于一种称为量子限制（quantum confinement）的现象而实现的。
当电子被限制在一个非常小的空间中而无法移动时，就会发生量子限制。当这种情况发生时，电子的有效质量和材料的特性会发生变化，从而使电子能够更有效地穿过屏障。
由于晶体管非常小，研究人员可以设计出非常强的量子限制效应，同时还可以制造出非常薄的屏障。
“我们在设计这些材料异质结构时有很大的灵活性，因此我们可以实现非常薄的隧道势垒，这使我们能够获得非常高的电流，”Shao表示。精确制造足够小的器件来实现这一点是一项重大挑战。
当研究人员测试设备时，开关斜率的锐度低于传统硅晶体管可以实现的基本极限。他们的设备的性能也比类似的隧道晶体管好20倍左右。
“这是我们第一次能够通过这种设计实现如此陡峭的开关陡度，”Shao补充道。
研究人员目前正在努力改进其制造方法，使整个芯片上的晶体管更加均匀。对于如此小的器件，即使是1纳米的差异也会改变电子的行为并影响器件的运行。除了垂直纳米线晶体管外，研究人员还在探索垂直鳍状结构，这可能会提高芯片上器件的均匀性。
