理大研发量子隧穿场效应晶体管 突破集成电路晶片发展樽颈

下一代微电子技术的发展，取决于晶体管开关性能实现突破性提升，方能进一步推高运算能力。然而，传统半导体技术面对一道名为「波尔兹曼极限」（Boltzmann limit）的物理限制，既局限了传统晶体管的功耗效益，亦阻碍高性能电子产品的发展步伐。为破解这项技术难题，香港理工大学（理大）研究团队运用二维（2D）纳米材料，成功研制出一款全新的量子隧穿场效应晶体管（TFET）。是次突破性的成果，令这项备受期待的技术离商业化应用更进一步，为低能耗运算及新一代人工智能（AI）晶片提供关键的基本组件。

研究由理大物理及材料学系系主任、材料物理与器件讲座教授、香港理工大学武汉科技创新研究院副院长郝建华教授领导，并与新加坡国立大学、香港科技大学、北京大学及新加坡科技设计大学的研究人员携手合作。这项具标志性的研究成果，已于国际权威科学期刊《Science》发表。

集成电路（IC）由在开、关状态之间切换的晶体管组成，是现代运算的基础。传统的互补金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）依靠由闸极电压驱动热电子发射，让电荷跨越势垒，此项操作中控制一个数量级的电流变化所需要的最低闸极电压为 60 毫伏特（mV）。然而，由于「波尔兹曼极限」的物理限制，使得在室温之下，MOSFET的亚阈值摆幅（Subthreshold swing (SS)，用以量度开关势垒的指标）无法降低至每十倍 60 毫伏特（mV decade⁻¹）以下，阻碍了高性能电子产品的进一步发展。

郝建华教授表示：「《国际器件及系统路线图》（IRDS）已认定TFET是最有潜力取代 MOSFET 的低功耗晶体管方案。透过以量子隧穿取代热电子发射，我们研制的二维异质结构晶体管突破了调控每十倍电流需要 60 毫伏特闸极电压的界限，克服了MOSFET 的物理限制。TFET为新一代 AI 晶片及先进半导体应用所需的超低功耗、高性能集成电路奠定了基础。」

为解决以往TFET设计的效率局限，郝教授的团队采用脉冲激光沉积（PLD）技术，制作出超薄的二维铋（Bi）与硒化铟（InSe）交替层异质结。团队在纳米尺寸的层状结构上进行精确控制，令原本呈半金属性质的铋在二维形态下转化为半导体，形成理想的能带对齐，使电荷载流子得以透过量子隧穿机制高效注入硒化铟。

由此制成的 Bi/InSe 量子隧穿场效应晶体管，在六个数量级的电流开关范围内，其亚阈值摆幅远低于每十倍 60 毫伏特的热电子极限。这种TFET在室温下于标准厘米尺寸的硅基板上运作时，所需闸极电压范围仅为 160 毫伏特，远低于先进 MOSFET 所需的 800 毫伏特。

这种最新器件解决了实验性质TFET长期面对的难题：既能输出高达每微米数微安培（μA μm⁻¹）的高输出电流，同时具备极高的开关电流比。高输出电流对驱动多个下游逻辑闸极为重要，有助降低电路延迟，并确保与现有集成电路晶片相容，甚至可带动其跨代升级。

研究同时证明，脉冲激光沉积技术在制造精密、晶圆级二维材料方面切实可行，此类材料对未来采用超短通道的晶体管尤其重要。由于该技术能与传统硅基制程相互配合，此项突破为节能微型晶片及推动 AI 应用的专用硬件，提供了可规模化的发展蓝图。

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