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麻省理工学院的研究人员开发了一种新型3D晶体管，可能比当前的硅基晶体管更节能、更强大。
这种新型3D晶体管是使用超薄半导体材料设计的。
“这项技术有可能取代硅，因此可以用于实现硅当前具备的所有功能，但能效更高。” 麻省理工学院博士后、论文主要作者Yanjie Shao说道。
这些晶体管利用量子力学在纳米尺度区域内实现低电压下的高性能。
它们的微小尺寸为超高密度、高性能和节能电子设备的新时代铺平了道路。
克服局限
硅晶体管作为电子开关使用，通过简单的电压施加，晶体管可以从关态切换到开态。开/关状态代表二进制数字，从而实现计算。
晶体管的效率与其开关斜率相关。斜率越陡，能耗越低。这意味着晶体管可以快速开关，减少时间消耗，进而减少能量消耗。
然而，一个称为玻尔兹曼限制的基本限制使得晶体管在室温下运行时需要最低电压。
这一限制在硅晶体管中普遍存在。
为了克服这一局限性，这些新型晶体管使用超薄半导体材料和量子力学来实现低电压下的高性能。
麻省理工的研究人员选择了锑化镓和砷化铟半导体材料。
此外，他们在设备架构中融入了量子隧穿原理。在该现象中，电子可以穿透势垒。
“现在可以非常轻松地开启和关闭设备，”Shao补充道。
晶体管的独特几何结构
然而，隧穿晶体管通常电流输出较低。这一限制会影响在需要高电流以确保高效运行的应用中的性能。
为了解决这一问题，工程师们对晶体管的3D几何结构进行了优化。为此，他们制造了直径仅为6纳米的纳米线异质结构。
这导致了“迄今报道的最小3D晶体管”的诞生。
由于量子限制，这一技术帮助他们实现了陡峭的开关斜率和高电流。量子限制发生在电子被限制在极小空间时。
这种限制释放了增强隧穿的潜力，彻底改变了设备性能。
“我们在设计这些材料异质结构上有很大的灵活性，因此可以实现非常薄的隧穿势垒，从而实现非常高的电流，”Shao说。
在测试中，这些设备展示出比传统硅晶体管更陡峭的开关斜率。这意味着它们可以更快速高效地切换状态，为更快、更节能的电子设备提供可能。
根据新闻稿，这些麻省理工的设备展示了相比类似的隧穿晶体管高出20倍的性能提升。
“这是我们首次在这种设计中实现如此陡峭的开关斜率，”邵指出。
未来发展
研究人员正努力改进制造工艺，以确保整个芯片上晶体管性能的一致性。
为进一步提高一致性，他们还在探索其他3D晶体管设计，例如垂直鳍片状结构。
研究成果已发表在《自然电子学》期刊上。
原文链接
https://interestingengineering.com/innovation/mit-3d-transistors-surpass-silicon-technology
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