实现重要概念突破！MIT中国博后研制超高效3D晶体管

麻省理工学院的研究人员开发了一种迄今可能最小的三维晶体管，它比目前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，他抛却了传统物理学思考问题的常规角度，基于量子力学原理实现了概念突破。

撰文 | 路飞

硅凭借其稳定的化学性质和易得性，一直是半导体材(cái)料(liào)的(de)首(shǒu)选(xuǎn)。但(dàn)随(suí)着(zhe)算(suàn)力(lì)需求不断增长，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，难以通过器件微缩进一步提高能效。近日，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(dài)硅(guī)的(de)技(jì)术(shù)，你(nǐ)可(kě)以(yǐ)使(shǐ)用(yòng)它(tā)来(lái)实(shí)现(xiàn)硅(guī)目(mù)前(qián)拥(yōng)有(yǒu)的(de)几(jǐ)乎(hu)所(suǒ)有(yǒu)功(gōng)能(néng)，但(dàn)能(néng)效(xiào)更(gèng)高。”邵彦杰说。

邵彦杰丨图源：本人提供

“拆东墙补西墙可不行”

硅一直盘踞半导体工业原材料第一的宝座，如今为(wèi)何(hé)坐不牢了呢？

我们生活中常见的电子设备有一个不可(kě)或(huò)缺(quē)的(de)关键组(zǔ)件(jiàn)，即(jí)硅(guī)晶(jīng)体(tǐ)管(guǎn)构(gòu)成(chéng)的(de)芯(xīn)片(piàn)，用(yòng)于(yú)放(fàng)大(dà)和(hé)切(qiè)换(huàn)信(xìn)号(hào)。但(dàn)(dàn)是(shì)传(chuán)统(tǒng)硅(guī)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)受(shòu)制(zhì)于(yú)基(jī)本(běn)物(wù)理(lǐ)条(tiáo)件(jiàn)，无(wú)法(fǎ)在(zài)低(dī)于(yú)特(tè)定(dìng)电(diàn)压(yā)的(de)情况下工作，这种现象在业内被称为“玻尔兹曼暴政”（“Boltzmann tyranny”）。随着人工智能的发展，算力在呈指数级爆炸增长，“玻尔兹曼暴政”极大阻碍了计算机和其他电子产品的效率。

1960年，英特尔创始人之一戈登·摩尔根据经验之谈指出，芯片上的晶体管数量大约每18~24个月翻一番。因此，研究人员不断想方设法将尽可能多的晶体管集成到芯片上，这就是微电子领域的黄金法则——“摩尔定律”。芯片越小，意味(wèi)着(zhe)成(chéng)本(běn)越(yuè)低(dī)，这(zhè)是(shì)工(gōng)业(yè)界(jiè)一(yī)直(zhí)追(zhuī)求(qiú)的(de)理(lǐ)想(xiǎng)状(zhuàng)态(tài)。

直(zhí)到(dào)二十一世纪，业界一直遵循着这一定律，随着年份推移，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(néng)在(zài)给(gěi)定(dìng)面(miàn)积上，容纳比前一代多一倍的晶体管。

然而，随着人工智能（AI）、物联网（IoT）等新技术的快速发展，以及半导体工艺和体系结构的改进，近年来，大家逐渐对(duì)于(yú)“摩(mó)尔(ěr)定(dìng)律(lǜ)”是(shì)否(fǒu)延(yán)缓(huǎn)或(huò)失(shī)效(xiào)的(de)话(huà)题(tí)产(chǎn)生(shēng)了(le)一(yī)定(dìng)的(de)分(fēn)歧(qí)，从(cóng)而(ér)诞(dàn)生(shēng)出(chū)了(le)多(duō)种(zhǒng)技(jì)术(shù)演(yǎn)进(jìn)方(fāng)案(àn)。寻(xún)求(qiú)替(tì)代(dài)硅(guī)的(de)半(bàn)(bàn)导(dǎo)(dǎo)体(tǐ)(tǐ)材(cái)(cái)料(liào)(liào)以(yǐ)(yǐ)及(jí)(jí)改(gǎi)(gǎi)变(biàn)(biàn)晶(jīng)(jīng)体(tǐ)(tǐ)管(guǎn)的(de)结(jié)构(gòu)成(chéng)为(wèi)科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)前(qián)赴(fù)后(hòu)继(jì)研(yán)究(jiū)的(de)热(rè)点(diǎn)。

在(zài)逻(luó)辑(ji)芯(xīn)片(piàn)中(zhōng)，晶(jīng)体(tǐ)管(guǎn)通(tōng)常用作开关。向晶体管施加电压会导致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态表示二进制数字以执行计算。

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。由于“玻尔兹曼暴政”的限(xiàn)制(zhì)，为(wèi)了(le)实(shí)现(xiàn)一定的电流开关比，传统硅晶体(tǐ)管只有在高于一定电压的情况下，才能在室温下稳定切换。因此，只有寻找实现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。

总的来说，业内目前面临三个错综复杂的问题：如何设计尺寸更小的晶体管？如何寻求可替代的新材料克服硅的物理极限，在低电压下保持高性能工作，也即实现高的开态电流？如何使得晶体管的开关斜率更加陡峭？

“其实这些年很多科研工作者都在相继研究这个领域”，邵彦杰表示，“有的学者缩小了晶体管的尺寸，但是尺寸降低之后性能跟不上；有的学者在他们制作的晶体管中展示了陡峭的开关斜率，但是性能跟不(bù)上，拆东墙补西墙，总的来说，没办法同时解决这三个拦路虎(hǔ)。”

“三(sān)管(guǎn)齐(qí)下(xià)”

这(zhè)项(xiàng)研(yán)究(jiū)课(kè)题(tí)贯(guàn)穿(chuān)了(le)邵(shào)彦(yàn)杰(jié)的(de)整(zhěng)个(gè)博(bó)士(shì)生(shēng)涯(yá)。邵(shào)彦(yàn)杰(jié)是(shì)中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)技(jì)术(shù)大(dà)学(xué)2015级(jí)物(wù)理(lǐ)学(xué)院(yuàn)本(běn)科(kē)生(shēng)，毕(bì)业(yè)之(zhī)后(hòu)他(tā)前(qián)往麻省理工学院师从Jesús A. del Alamo教授，继续半导体相关的研究。

目前，具有发展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(jí)限，邵彦杰学习并借鉴了前辈的成功经验，他使用了不同于硅的半导体材料——锑(tī)化(huà)镓(jiā)和(hé)砷(shēn)化(huà)铟(yīn)，设(shè)计(jì)了(le)隧(suì)穿(chuān)场(chǎng)效(xiào)应(yīng)晶(jīng)体(tǐ)管(guǎn)。

随(suí)着(zhe)芯(xīn)片(piàn)上(shàng)晶(jīng)体(tǐ)管(guǎn)越(yuè)来(lái)越(yuè)多(duō)，不(bù)同(tóng)晶(jīng)体(tǐ)管(guǎn)区(qū)域之(zhī)间(jiān)的(de)距(jù)离大大压缩。因此，曾经足以阻挡电子的屏障变得非常薄，使电子能够从中通过，通俗来说，即是漏电。

尽管电子隧穿无法阻(zǔ)止(zhǐ)，但(dàn)这(zhè)一(yī)现(xiàn)象(xiàng)可(kě)以(yǐ)利(lì)用(yòng)。与(yǔ)通(tōng)过(guò)能(néng)垒(lěi)高(gāo)度(dù)来(lái)控(kòng)制(zhì)电(diàn)流(liú)流(liú)动(dòng)的(de)金(jīn)属(shǔ)氧(yǎng)化(huà)物(wù)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)场(chǎng)效(xiào)应(yīng)晶(jīng)体(tǐ)管(guǎn)不(bù)同(tóng)，隧(suì)穿(chuān)场(chǎng)效(xiào)应(yīng)晶(jīng)体管的能垒保持高位，通过改变能垒(lěi)一(yī)侧(cè)电(diàn)子(zi)在(zài)另(lìng)一(yī)侧(cè)出(chū)现(xiàn)的(de)可(kě)能(néng)性(xìng)，即(jí)可(kě)控(kòng)制(zhì)导(dǎo)通(tōng)和(hé)关断(duàn)。

然(rán)而(ér)，隧(suì)穿(chuān)场(chǎng)效应晶体管的开态电流过小，这阻碍了它们在需要大电流以实现高效运行的应用场景中的性能。为了解决这个问题，邵彦杰研究了晶体管的三维几何形状。

“我们在设计这些材料异质结构方面有很大的灵活性，因此可以实现非(fēi)常(cháng)薄的隧穿能垒宽度，这使我们能够在较低工作电压(yā)下(xià)获(huò)得非常高的隧穿电流。”

精确制造足够小的晶体管以完成这项工作是一项重大挑战。随着晶体管尺寸的不断缩小，制造这种纳米级器件变得更加困难。为了设计更小的晶体管，需要能够以原子级的精度操纵材料。

邵彦杰使用 MIT.nano（麻省理工学院的微纳加工实验室）的设备，控制晶体管的三维几何形状。这种精确的设计在制作的(de)晶(jīng)体(tǐ)管(guǎn)中(zhōng)实(shí)现(xiàn)了极强的量子限域效应，能够同时实现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非常小以至于几乎不能移动的空间时，会导致能级量子化、能带间隙增大。这项研(yán)究(jiū)首(shǒu)次(cì)发(fā)现(xiàn)这(zhè)一(yī)效(xiào)应(yīng)可(kě)以(yǐ)使(shǐ)电(diàn)子(zi)能(néng)够(gòu)更(gèng)强(qiáng)地(de)穿(chuān)过(guò)能(néng)垒(lěi)。

“从(cóng)原(yuán)材(cái)料(liào)到(dào)最(zuì)终(zhōng)器(qì)件(jiàn)成(chéng)形(xíng)，需(xū)要(yào)一(yī)个月左右。在读博期间，我经历了反复的失败。时间长也会(huì)产(chǎn)生(shēng)自(zì)我(wǒ)怀疑，每次数据一出来，我就会问自己，是不是真的走不通？这种心理是很可怕的。”邵彦杰苦笑，“除了心理上，还有工艺上的困难，全程(chéng)都(dōu)是(shì)自(zì)己(jǐ)埋(mái)头(tóu)钻(zuān)研(yán)。不(bù)过(guò)成(chéng)功(gōng)那(nà)一(yī)刻(kè)真(zhēn)的(de)太(tài)激(jī)动(dòng)了(le)，觉(jué)得(de)自(zì)己(jǐ)又(yòu)可(kě)以(yǐ)了(le)！”

最(zuì)终(zhōng)，邵(shào)彦(yàn)杰(jié)制(zhì)造(zào)了(le)直(zhí)径仅为6纳米的纳米线异质结构，采用只有几纳米宽的垂直纳米线（堪比DNA链的宽度），可以提供与最先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能够封装到芯片上，从而满足电子设备快速、强大且更节能的需求。

“使用传统物理学思考问题难有突破，彦杰的工作表明，我们可以做得更好，但我们必须抛却常规角度。这项成果距离实现商业化还有许多挑战需要克服，但从概念上讲，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肯定。

“从小就想成(chéng)为(wèi)科(kē)学(xué)家(jiā)”

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

为了尽快找到自己感兴趣的研究(jiū)方(fāng)向(xiàng)，邵(shào)彦(yàn)杰(jié)在(zài)本(běn)科期间曾进入多个(gè)课(kè)题(tí)组(zǔ)，同(tóng)硕(shuò)博(bó)师(shī)兄(xiōng)师(shī)姐(jie)一(yī)起(qǐ)交(jiāo)流(liú)学(xué)习(xí)，最(zuì)终(zhōng)决(jué)定(dìng)将(jiāng)物(wù)理(lǐ)学(xué)领(lǐng)域的理论知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，我其实很幸运，能够在本科期(qī)间(jiān)就(jiù)得(de)到(dào)完(wán)整(zhěng)的(de)科(kē)研(yán)训(xun)练(liàn)，让(ràng)我(wǒ)对科研有了全面的认识”，邵彦杰补充道。

这篇文章的发表并不是一帆风顺。第一轮投稿是2023年7月，邵彦杰当时使用的是博士毕业论文中的数据。由于数据不够理想，10月收到了拒稿通知。博后期间，他继续死磕该课题，2024年2月再次投稿，7月终于收到录用通知。

纳米电子学研究组织IMEC的主要技术成员Aryan Afzalian表示，“这项工作为今后的研究指引了正确的方向，显著提高了隧穿场效应晶体管（TFET）的性能。它展示(shì)了(le)TFET可(kě)以(yǐ)实(shí)现(xiàn)陡(dǒu)峭(qiào)的(de)开(kāi)关斜(xié)率(lǜ)和(hé)高(gāo)驱(qū)动(dòng)电(diàn)流(liú)。这(zhè)些(xiē)功(gōng)能(néng)是(shì)可(kě)以(yǐ)通(tōng)过(guò)控(kòng)制(zhì)纳(nà)米(mǐ)级(jí)尺(chǐ)寸(cùn)工(gōng)艺(yì)实(shí)现的。”

“得知录用邮件的时候其实心里已经有底了，但仍然很激动，立刻打电话给老婆和父母”，邵彦杰回忆起过往，“有时(shí)候(hou)凌(líng)晨(chen)从(cóng)实(shí)验(yàn)室(shì)回(huí)去(qù)，路上(shàng)和(hé)远(yuǎn)在(zài)国(guó)内(nèi)的(de)老(lǎo)婆(pó)打(dǎ)电(diàn)话(huà)分(fēn)享(xiǎng)实(shí)(shí)验(yàn)(yàn)进(jìn)(jìn)展(zhǎn)(zhǎn)情(qíng)(qíng)况(kuàng)(kuàng)，现(xiàn)(xiàn)在(zài)(zài)终(zhōng)于(yú)有(yǒu)拿(ná)得(de)出(chū)手(shǒu)的(de)好(hǎo)消(xiāo)息(xi)了(le)！”

对于未来研究规划，邵(shào)彦(yàn)杰(jié)正(zhèng)在(zài)努(nǔ)力(lì)改进制造方法，以使晶体管在整个芯片上更加均匀。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，他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。同时，他也在探索新的半导体材(cái)料(liào)在(zài)三(sān)维(wéi)异(yì)质(zhì)集成(chéng)上(shàng)的(de)应(yīng)用(yòng)。

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