11 月 7 日消息，硅晶体管是现有电子设备中最关键的组件之一，具有多种重要功能，但由于其本身的局限性，无法以低于某个特定电压运行。

这种基本物理限制被称为“波尔兹曼暴政”，是挡在现代设备面前的一大阻碍，这无疑限制了其进一步提升性能、以及扩展适用范围的能力，尤其是在当今 AI 技术快速发展且需要更快计算能力的背景下。

为了克服这一限制，美国麻省理工学院团队利用由锑化镓和砷化铟组成的超薄半导体材料，成功研制出一种全新的纳米级 3D 晶体管。

值得一提的是，这项研究部分由英特尔公司资助。他们也使用了垂直纳米线场效应晶体管（VNFET）技术，通过垂直定向结构而非传统的水平布局来管理电子流，从而避开了与水平晶体管相关的一些限制。

这是迄今已知最小的 3D 晶体管，其性能和功能可比肩甚至超越现有硅基晶体管。相关研究成果已经发表于《自然・电子学》（附 DOI:10.1038 / s41928-024-01279-w）。

据介绍，为进一步降低新型晶体管“体型”，他们创建出直径仅为 6nm 的垂直纳米线异质结构。相比传统硅晶体管可以在低得多的电压下高效运行，且性能可与最先进的硅晶体管相媲美。

MIT 博士后、新晶体管论文的主要作者邵燕杰（Yanjie Shao）表示，“这项技术有可能取代硅，你可以任意将其用于现有的硅晶体管领域，且效率更高。”

团队还将量子隧穿原理引入新型晶体管架构内。在量子隧穿现象中，电子可以穿过而非翻越能量势垒，这使得晶体管更容易被打开或关闭。

这些晶体管利用量子力学特性，在几平方纳米内同时实现低电压运行和高性能，从而在芯片上集成更多的 3D 晶体管，有望开发出更快、更强的电子设备，同时更节能。

麻省理工学院电气工程与计算机科学系 (EECS) 的 Donner 工程学教授 Jesús del Alamo 说，“凭借传统物理学，我们只能走这么远。Yanjie 的工作表明，我们可以做得更好，但我们必须使用不同的物理学。要使这种方法在未来商业化，还有许多挑战需要克服，但从概念上讲，这确实是一个突破。”

Alamo 还提到，“我们在这项工作中真正迈入了‘单纳米’尺寸。世界上很少有团队能够制造出如此小且功能良好的晶体管。”

除他以外，麻省理工学院核工程和材料科学与工程教授、东京电力公司教授 Ju Li；EECS 博士生 Hao Tang；MIT 博士后 Baoming Wang；以及意大利乌迪内大学教授 Marco Pala 和 David Esseni 也参与了该论文。