麻省理工学院的3D纳米级晶体管利用量子隧道设计绕过物理限制

硅晶体管的表现已然非常出色，但就像物理世界中的其他物体一样，它们也受到一些限制。物理定律对性能和能效造成了瓶颈。现在，麻省理工学院的一组工程师可能已经找到了一种方法，利用一种激进的新型晶体管设计，以狂野的量子方式突破这些限制。

他们要解决的问题就是所谓的"玻尔兹曼暴政"。它指的是在室温下开关硅晶体管所需的电压的基本极限，如果将电压调得过低，晶体管就会失去开关能力。这一电压下限阻碍了电子产品能效的大幅提升，随着耗电的人工智能应用接管更多的处理任务，这可能会成为一个问题。

麻省理工学院的研究团队用锑化镓和砷化铟等独特的半导体材料，而不是传统的硅，制造出了实验晶体管。这项研究部分由英特尔公司资助，最近发表在《自然-电子学》上。

然而，真正的神奇之处在于其独特的微小三维设计，该设计是在麻省理工学院纳米研究专用设施MIT.nano使用精密工具设计而成的。这种晶体管采用垂直纳米线异质结构，直径仅为6纳米，研究人员认为这是迄今所报道的最小的3D晶体管。

在这一尺度上，一些量子效应开始发挥作用，使晶体管能够绕过硅的物理限制。科学家们设计的晶体管可以实现量子隧道效应，电子基本上可以穿过绝缘阻挡层，而不是越过它，这样晶体管就可以在更低的电压下启动。另一种效应是量子约束，即纳米线狭窄的尺寸会改变材料的特性。

结合这些效应，麻省理工学院的设备实现了硅所无法达到的效果：使用极小的电压就能达到极快的开关时间。测试表明，它们的开关电压斜率比传统硅材料的极限斜率还要陡峭。事实上，其电流性能比其他实验性隧道晶体管高出约20倍。

"这是一种有可能取代硅的技术，因此你可以用它来实现硅目前具有的所有功能，但能效要高得多，"该项目的第一作者、博士后邵彦杰（YanjieShao）说。

当然，从概念验证到商业化还有很长的路要走，团队也承认这一点。

"传统物理学只能做到这一步。严杰的工作表明，我们可以做得更好，但我们必须使用不同的物理学。"该论文的资深作者、麻省理工学院电子工程与计算机科学系的JesúsdelAlamo说："要使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。"

该团队还指出，他们需要改进制造工艺，使纳米级晶体管在整个芯片上更加均匀。

这并不是麻省理工学院第一次致力于突破摩尔定律的限制。今年早些时候，麻省理工学院的科学家展示了一种能在纳秒内开关的晶体管，其耐用性高达十亿周期。