硬核突破！跳出玻尔兹曼极限

香港理工大学科研团队研发出一款新型晶体管，器件工作栅压仅为160毫伏，相较于传统晶体管800毫伏的工作栅压，功耗水平得到显著优化。由郝建华教授牵头的研究团队，摒弃传统晶体管依赖的热电子发射工作机制，采用量子隧穿效应实现器件导通，突破了长期限制晶体管能效提升的物理瓶颈：玻尔兹曼极限（玻尔兹曼暴政），为低功耗半导体器件及AI芯片的技术优化解决了关键底层技术难题。

郝建华表示，晶体管是微电子领域的基础核心器件，广泛应用于各类计算设备与智能硬件。该新型晶体管可用于制备超低功耗、高性能集成电路，能够适配当下AI芯片、先进半导体器件的研发与应用需求，契合当前算力设备低功耗、高集成度的发展趋势。该器件以二维铋与硒化铟堆叠材料为核心制备原料，相关研究成果已在《科学》期刊发表，获得国际学术领域的认可。

本次研究突破，有效改善了传统晶体管受玻尔兹曼极限约束导致的能效受限问题。在传统半导体体系中，玻尔兹曼热力学规律会限制晶体管的能量利用效率，室温工况下的能量损耗难以进一步降低，制约了芯片小型化、低功耗的迭代发展。本次研发的新型晶体管采用二维铋（Bi）与硒化铟（InSe）交替堆叠的超薄异质结结构，整体达到原子级厚度。团队采用脉冲激光沉积技术（PLD）进行制备，可精准控制薄膜厚度、层数与界面状态，保证器件结构的稳定性与一致性，为器件的规模化制备提供了工艺支撑。

通过脉冲激光沉积工艺实现的精准层状结构设计，二维超薄形态下的半金属铋可完成物性转变，成为稳定的半导体材料。两种材料形成了匹配度良好的能带结构，为电荷载流子的传输提供了优质通道，有效提升了电荷隧穿效率与器件导通性能。目前商用主流的互补金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）依靠热电子发射工作，根据物理理论，其存在60毫伏的基础栅压下限。同时，玻尔兹曼极限使得传统晶体管在室温环境中，亚阈值摆幅无法低于60毫伏/十倍频，这一物理约束长期限制了电子器件的功耗优化与性能升级，也是高端AI芯片功耗偏高的重要原因。

郝建华教授介绍，《国际器件与系统路线图（IRDS）》已将隧穿场效应晶体管（TFET）列为MOSFET器件最具可行性的替代方案，是下一代低功耗芯片的重点研究方向。过往隧穿场效应晶体管研究，普遍存在材料适配性差、结构设计不完善等问题，难以突破传统物理限制。而本次研发的二维异质结晶体管，依托量子隧穿效应工作，摆脱了热电子发射的热力学约束，突破了60毫伏/十倍频的传统性能边界，相较于传统MOSFET器件，在能效与开关性能上均实现了优化提升。

测试结果显示，该铋硒化铟隧穿晶体管在6个数量级的电流开关范围内，亚阈值摆幅持续低于传统热发射理论极限，工作稳定性优于多数同类实验器件。同时，器件可实现数微安/微米的高输出电流，解决了多数新型低功耗晶体管输出电流不足的常见问题。稳定且充足的输出电流，可支撑多级逻辑门电路正常工作，减少电路传输延迟，且能够兼容现有集成电路芯片体系。此前业内研发的实验型隧穿晶体管，大多难以同时兼顾低功耗、高电流与稳定性，无法适配实际芯片应用场景，本次研究成果有效解决了这一技术痛点。

该技术具备良好的产业化应用潜力。其采用的脉冲激光沉积工艺可兼容现有硅基半导体生产体系，无需对现有生产线进行大规模改造，能够有效降低技术转化与量产成本，适用于低功耗微芯片、AI专用硬件的规模化生产。同时，该晶体管可在室温环境、常规厘米级硅基底上稳定工作，无需特殊严苛的工作条件，适配工业量产与终端应用场景。此次研究突破了传统晶体管设计的固有物理限制，平衡了器件功耗与性能，为下一代微电子器件的技术迭代提供了新的研究方向，对人工智能、高端半导体等领域的技术升级具备积极的推动作用。