理大研新型量子隧穿晶体管 突破物理极限 助低功耗AI芯片发展

理大物理及材料学系系主任郝建华（右）、同系助理教授（研究）兼论文第一作者吴泽涵（左），以及研究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。（理大图片）

面向低能耗运算与新一代人工智能芯片（AI）需求，晶体管必须在更低电压下实现更快、更精准的开关，才能在不大幅增加耗电与发热的前提下推升算力。香港理工大学物理及材料学系系主任郝建华领导、并与多所大学合作的研究团队，运用二维纳米材料成功研制全新量子隧穿场效应晶体管（TFET），在开关性能上取得突破，推动这项被视为下一代低功耗晶体管方案的技术更接近商业化应用，为节能微型芯片及AI硬件发展提供重要基础组件。相关成果已发表于国际权威科学期刊《Science》。

集成电路由大量可在“开／关”状态间切换的晶体管构成，是现代运算的核心。传统互补金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）依靠闸极电压驱动热电子发射，使电荷跨越势垒；在此机制下，要令电流变化一个数量级，所需最低闸极电压约为60毫伏特。受“波尔兹曼极限”所限，室温下MOSFET的亚阈值摆幅（Subthreshold swing，SS）难以低于每十倍60毫伏特，成为高性能、低功耗芯片进一步发展的重要樽颈。

郝建华指出，《国际器件及系统路线图》（IRDS）已将TFET列为最有潜力取代MOSFET的低功耗晶体管方案。TFET以量子隧穿取代热电子发射，有望突破“调控每十倍电流需60毫伏特闸极电压”的界限，跨越MOSFET的物理限制，为新一代AI芯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基础。

为克服以往TFET设计的效率局限，团队采用脉冲激光沉积（PLD）技术，制作超薄二维铋（Bi）与硒化铟（InSe）交替层异质结构，并在纳米尺度上精准控制层状结构，使原本呈半金属性的铋在二维形态下转化为半导体，形成更理想的能带对齐，让载流子透过量子隧穿机制高效注入硒化铟。

测试结果显示，该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，亚阈值摆幅远低于每十倍60毫伏特的热电子极限。器件在室温、标准厘米尺寸硅基板上运作时，所需闸极电压范围仅约160毫伏特，明显低于先进MOSFET常见的约800毫伏特。

更重要的是，该器件同时解决实验型TFET长期面对的难题：在保持极高开关电流比之余，仍能输出高达每微米数微安培的高输出电流。高输出电流对驱动多个下游逻辑闸极至关重要，可降低电路延迟，并提升与现有集成电路芯片的相容性，具备带动跨代升级的潜力。

研究亦证明，脉冲激光沉积技术在制造精密、晶圆级二维材料方面具可行性，而这类材料对未来采用超短通道的晶体管尤其关键。由于PLD可与传统硅基制程配合，相关突破为节能微型芯片及推动AI应用的专用硬件，提供更具规模化的发展蓝图。