摘要：与基于硅的设备相比，由超薄半导体材料制成的纳米级3D晶体管可以更有效地运行，从而利用量子机械性能来潜在地启用超低电源AI应用。...
用于扩增和开关信号的硅晶体管在大多数电子设备中都是关键组件，从智能手机到汽车。但是，硅半导体技术受到基本物理极限的阻碍，可防止晶体管在一定电压以下运行。
这种限制被称为“玻尔兹曼暴政”，阻碍了计算机和其他电子产品的能源效率，尤其是随着需要更快计算的人工智能技术的快速发展。
为了克服这种硅的基本限制，麻省理工学院的研究人员使用一组独特的超薄半导体材料制造了不同类型的三维晶体管。
它们的设备具有垂直纳米线的宽度宽，可以提供与最先进的硅晶体管相当的性能，同时在电压低得多的电压上有效地运行远低于常规设备。
麻省理工学院MIT Postdoc，有关新晶体管的论文的首席作者Yanjie Shao说：“这是一项具有替代硅的潜力，因此您可以将其与硅当前具有的所有功能一起使用，但能源效率更好。”
晶体管利用量子机械性能同时实现仅在几个平方纳米的区域内实现低压操作和高性能。它们的尺寸极小，可以使更多的3D晶体管被包装到计算机芯片上，从而产生快速，强大的电子产品，这些电子产品也更节能。
"With conventional physics, there is only so far you can go. The work of Yanjie shows that we can do better than that, but we have to use different physics. There are many challenges yet to be overcome for this approach to be commercial in the future, but conceptually, it really is a breakthrough," says senior author Jesús del Alamo, the Donner Professor of Engineering in the MIT Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS).
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学教授Ju Li加入了纸上； EEC研究生Hao Tang；麻省理工学院博士王王；以及意大利乌代大学的Marco Pala和David Esseni教授。该研究出现在自然电子。
超过硅
在电子设备中，硅晶体管通常作为开关工作。向晶体管施加电压会导致电子从一侧向另一侧移动，从而将晶体管从“ OFF”切换到“ ON”。通过切换，晶体管表示要执行计算的二进制数字。
晶体管的开关坡度反映了“关闭”到“”过渡的清晰度。坡度越陡，打开晶体管所需的电压越小，其能源效率就越大。
但是由于电子如何在能屏障上移动，因此Boltzmann暴政需要一定的最小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套不同的半导体材料 - 抗氨基酯和砷化酯 - 并设计其设备来利用称为量子隧道的量子力学中的独特现象。
量子隧穿是电子穿透屏障的能力。研究人员制造了隧道晶体管，这些隧道晶体管利用该特性来鼓励电子推动能量屏障，而不是越过它。
肖说：“现在，您可以轻松地打开和关闭设备。”
但是，虽然隧道晶体管可以实现尖锐的开关斜率，但它们通常以低电流运行，从而阻碍了电子设备的性能。为了创建强大的晶体管开关，需要更高的电流。
细粒度的制造
工程师使用MIT的最先进设施MIT.Nano的工具，工程师能够仔细控制其晶体管的3D几何形状，从而创建垂直纳米线异质结构，直径仅为6纳米。他们认为这些是迄今为止报告的最小的3D晶体管。
如此精确的工程使他们能够同时实现尖锐的开关斜率和高电流。由于一种称为量子限制的现象，这是可能的。
当电子局限于如此小以至于无法移动的空间时，就会发生量子限制。发生这种情况时，电子的有效质量和材料的特性变化，从而使电子通过屏障对电子进行更强的隧穿。
由于晶体管太小，研究人员可以设计出非常强大的量子限制效果，同时还可以制造出极薄的障碍物。
Shao说：“我们有很大的灵活性来设计这些材料异质结构，因此我们可以达到非常薄的隧道障碍，这使我们能够获得很高的电流。”
精确制造的设备足以完成这是一个主要挑战。
Del Alamo说：“我们实际上是在这项工作中进入单纳米的维度。世界上很少有群体可以在该范围内制造出良好的晶体管。Yanjie非常有能力制作出如此非常小的晶体管，这些晶体管非常小。”
当研究人员测试其设备时，开关斜率的清晰度低于常规硅晶体管可以达到的基本极限。他们的设备的性能也比类似的隧道晶体管高约20倍。
Shao补充说：“这是我们第一次能够通过这种设计实现如此尖锐的开关陡度。”
研究人员现在正在努力增强其制造方法，以使晶体管在整个芯片中更加均匀。使用如此小的设备，即使是1纳米的方差也可以改变电子的行为并影响设备操作。除了垂直纳米线晶体管外，他们还探索垂直鳍状结构，这可能会改善芯片上设备的均匀性。
这项研究部分由英特尔公司资助。
