碳化硅晶体管实现低温类神经元开关

香港大学工程学院电机与电子工程学系、先进半导体及集成电路研究中心（CASIC）的研究团队，在低温电子学领域取得重大突破。该团队研发出一款可在接近绝对零度环境下运行的可编程神经形态硬件平台，有望解决量子计算机的规模化难题，同时为深空探测提供新的技术支撑。相关成果已发表于《自然・通讯》，论文题为《基于碳化硅栅控负微分电阻的低温神经形态电路》。

这项研究由Yuhao Zhang教授与博士生XinYang牵头完成。团队找到了一种创新方法，可在工业级碳化硅（SiC）金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）中生成并调控负微分电阻（NDR）效应。研究首次证实，在低至10毫开尔文的极低温环境中，单枚晶体管便能模拟生物神经元高能效的脉冲放电特性。

现代量子计算机需要复杂电子器件来操控量子比特。量子比特对环境极为敏感，必须维持在毫开尔文级低温环境下工作。目前主流的硅基控制电路发热量大、功耗高，因此只能布置在远离量子比特的位置。这种布局带来了线路传输瓶颈，制约了量子系统的扩容能力与运行性能。

Yuhao Zhang教授表示：“我们研发的硬件平台可与量子处理器集成在一起。借助碳化硅独特的载流子动力学特性，新型电路的能效比传统电子器件高出数千倍，能够大幅降低低温系统的热负荷。”

研究发现，当碳化硅MOSFET被冷却至2开尔文以下时，会在电子施主碰撞电离效应的作用下，呈现出显著的S型负微分电阻特性。该工作机制依托材料自身原子结构形成，不同于以往依赖热能工作的技术，具备出色的稳定性，且不同生产批次的产品性能可稳定复现。

XinYang表示：“这套方案实用性强，且易于规模化落地。碳化硅目前已广泛应用于电动汽车、电网等领域，我们可依托现有成熟晶圆厂，在300毫米晶圆线上量产这款低温芯片。”

实验证明，该类神经元电路可级联搭建更大规模的网络，为在低温环境下实现复杂本地数据处理奠定基础。这项技术有望提升量子纠错与实时量子控制的性能。

除量子计算领域外，该高稳定性电路同样适用于深空探测场景。月球表面乃至太阳系边缘区域温度极低，这款器件可在此类极端低温环境下正常工作。