纳米级晶体管可以实现更高效的电子产品

Josiah02 · 发表于 2024-11-5 21:24:08

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）的关键元件。但硅半导体技术受到基本物理限制的阻碍，晶体管无法在特定电压以下工作。
这种被称为“玻尔兹曼暴政”的限制阻碍了计算机和其他电子设备的能源效率，特别是随着需要更快计算速度的人工智能技术的快速发展。
为了克服硅的这一基本限制，麻省理工学院的研究人员利用一组独特的超薄半导体材料制造出了一种不同类型的三维晶体管。这项研究发表在《自然电子学》杂志上。
他们的设备具有仅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。
麻省理工学院博士后、新晶体管论文主要作者邵燕杰 (Yanjie Shao) 表示：“这是一项有潜力取代硅的技术，因此你可以使用它来实现硅目前具有的所有功能，但能源效率会更高。”
这些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。它们的尺寸非常小，因此可以将更多 3D 晶体管封装到计算机芯片上，从而制造出速度快、功能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，”麻省理工学院电气工程与计算机科学系 (EECS) 唐纳工程教授、资深作者 Jesús del Alamo 说道。
与他们一起撰写论文的还有东京电力公司核工程教授兼麻省理工学院材料科学与工程教授李炬、电子工程与计算机科学研究生唐浩、麻省理工学院博士后王宝明以及意大利乌迪内大学的教授 Marco Pala 和 David Esseni。
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，晶体管表示二进制数字以执行计算。
晶体管的开关斜率反映了“关”到“开”转换的陡峭程度。斜率越陡，打开晶体管所需的电压越低，其能效越高。
但是由于电子跨越能垒的方式，玻尔兹曼暴政需要一定的最低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——并设计了他们的设备以利用量子力学中一种称为量子隧穿的独特现象。
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，利用这一特性促使电子穿过能量屏障，而不是越过它。
“现在，你可以非常轻松地打开和关闭该设备，”邵说。
然而，尽管隧道晶体管可以实现陡峭的开关斜率，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制造强大的晶体管开关。
精细制造
工程师们利用麻省理工学院最先进的纳米级研究设施 MIT.nano 的工具，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。他们认为这是迄今为止报道的最小的 3D 晶体管。
如此精密的工程设计使他们能够同时实现陡峭的开关斜率和高电流。这是因为一种称为量子限制的现象。
量子限制是指电子被限制在一个非常小的空间内，以至于无法移动。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，同时还能制造出极薄的屏障。
“我们在设计这些材料异质结构时具有很大的灵活性，因此我们可以实现非常薄的隧道屏障，这使我们能够获得非常高的电流，”邵说。
精确制造足够小的设备来实现这一目标是一项重大挑战。
“我们真正关注的是单纳米尺寸。世界上很少有团队能够制造出这种尺寸的优质晶体管。Yanjie 非常有能力制造出如此小巧、功能齐全的晶体管，”del Alamo 说道。
当研究人员测试他们的器件时，开关斜率的锐度低于传统硅晶体管可以实现的基本极限。他们的器件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急剧的切换陡度，”邵补充道。
研究人员目前正在努力改进制造方法，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之外，他们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。

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