本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：路飞
硅凭借其稳定的化学性质和易得性，一直是半导体材料的首选。但随着算力需求不断增长，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硅的技术，你可以使用它来实现硅目前拥有的几乎所有功能，但能效更高。”邵彦杰说。
“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，如今为何坐不牢了呢？
我们生活中常见的电子设备有一个不可或缺的关键组件，即硅晶体管构成的芯片，用于放大和切换信号。但是传统硅半导体受制于基本物理条件，无法在低于特定电压的情况下工作，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，意味着成本越低，这是工业界一直追求的理想状态。
直到二十一世纪，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在给定面积上，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，大家逐渐对于“摩尔定律”是否延缓或失效的话题产生了一定的分歧，从而诞生出了多种技术演进方案。寻求替代硅的半导体材料以及改变晶体管的结构成为科学家们前赴后继研究的热点。
在逻辑芯片中，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”的限制，为了实现一定的电流开关比，传统硅晶体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，但是性能跟不上，拆东墙补西墙，总的来说，没办法同时解决这三个拦路虎。”
“三管齐下”
这项研究课题贯穿了邵彦杰的整个博士生涯。邵彦杰是中国科学技术大学2015级物理学院本科生，毕业之后他前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——锑化镓和砷化铟，设计了隧穿场效应晶体管。
随着芯片上晶体管越来越多，不同晶体管区域之间的距离大大压缩。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止，但这一现象可以利用。与通过能垒高度来控制电流流动的金属氧化物半导体场效应晶体管不同，隧穿场效应晶体管的能垒保持高位，通过改变能垒一侧电子在另一侧出现的可能性，即可控制导通和关断。
然而，隧穿场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，因此可以实现非常薄的隧穿能垒宽度，这使我们能够在较低工作电压下获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晶体管中实现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。这项研究首次发现这一效应可以使电子能够更强地穿过能垒。
“从原材料到最终器件成形，需要一个月左右。在读博期间，我经历了反复的失败。时间长也会产生自我怀疑，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，全程都是自己埋头钻研。不过成功那一刻真的太激动了，觉得自己又可以了！”
最终，邵彦杰制造了直径仅为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。
“从小就想成为科学家”
“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方向，邵彦杰在本科期间曾进入多个课题组，同硕博师兄师姐一起交流学习，最终决定将物理学领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，能够在本科期间就得到完整的科研训练，让我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。它展示了TFET可以实现陡峭的开关斜率和高驱动电流。这些功能是可以通过控制纳米级尺寸工艺实现的。”
“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，“有时候凌晨从实验室回去，路上和远在国内的老婆打电话分享实验进展情况，现在终于有拿得出手的好消息了！”
对于未来研究规划，邵彦杰正在努力改进制造方法，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料在三维异质集成上的应用。
参考资料：
[1]https://www.nature.com/articles/s41928-024-01279-w
[2]https://news.mit.edu/2024/nanoscale-transistors-could-enable-more-efficient-electronics-1104