二维材料隧穿晶体管问世，攻克集成电路芯片研发瓶颈

下一代微电子技术，需要晶体管开关性能的重大革新，以此提升计算能力。但传统半导体技术已经遇到被称为 “玻尔兹曼桎梏” 的物理极限。该极限制约传统晶体管的能效，阻碍高性能电子器件的进一步发展。

为攻克这一关键瓶颈，香港理工大学的一支研究团队利用二维纳米材料，研制出一款新型隧穿场效应晶体管（TFET）。这项重大突破，让这项期待已久的实验技术距离商业化落地更进一步，为低功耗计算以及下一代人工智能（AI）芯片提供核心基础器件。

本研究由香港理工大学物理与材料学系主任、材料物理与器件讲座教授、理大‑武汉技术创新研究院副院长Jianhua Hao教授牵头，联合新加坡国立大学、香港科技大学、北京大学以及新加坡科技设计大学的研究人员共同完成。相关研究成果已发表于《科学》期刊。

传统晶体管面临的局限

集成电路由不断在导通、关断两种状态之间切换的晶体管构成，是现代计算的基础。传统互补金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）依靠电荷越过势垒的热电子发射机制工作，栅极驱动电压的理论下限为60毫伏（mV）。

然而，著名的玻尔兹曼极限（又称 “玻尔兹曼桎梏”），让MOSFET在室温条件下，无法实现低于60 mV/十倍频的亚阈值摆幅，这直接遏制了高性能电子器件的进一步发展。

借助二维材料突破物理壁垒

Jianhua Hao教授表示：“国际器件与系统路线图（IRDS）将隧穿场效应晶体管（TFET）视作最有希望替代MOSFET的器件方案。我们利用量子隧穿效应替代热电子发射，这款二维异质结晶体管突破了60 mV/十倍频的物理边界，打破传统MOSFET的固有限制。我们研发的TFET，可为新兴AI芯片、先进半导体应用所必需的超低功耗、高性能集成电路铺平道路。”

为解决过往TFET器件的性能短板，Jianhua Hao团队采用脉冲激光沉积（PLD）技术，制备由二维铋（Bi）、硒化铟（InSe）交替堆叠而成的超薄异质结构。通过在纳米尺度精准调控层状结构，本为半金属的铋在二维形态下转变为半导体，形成理想的能带匹配，载流子得以借助量子隧穿效应高效注入硒化铟。

该器件可在室温下工作，仅需160毫伏的栅极电压区间，远低于传统器件所需的800毫伏，为面向新兴AI芯片与先进半导体应用的超低功耗、高性能集成电路创造条件。

低电压下实现优异开关特性

这款铋/硒化铟TFET，在六个数量级的电流切换范围内，亚阈值摆幅均显著优于60 mV/十倍频的热发射极限。器件制备在常规厘米级硅衬底之上、室温环境即可工作；所需栅极电压区间仅160毫伏，远低于先进MOSFET所需的800毫伏。

至关重要的是，该器件解决了以往TFET实验器件长期存在的难题：在实现极高开关电流比的同时，获得高达数微安每微米（μA/μm）的高输出电流。高输出电流是驱动后级多个逻辑门（扇出）的必要条件，能够减小电路延迟，保障器件可与现有集成电路芯片兼容，也支持后续代际升级。

AI硬件的可规模化发展路径

该研究同时证实，脉冲激光沉积（PLD）技术可用于高精度、晶圆级制备二维材料，适配未来超短沟道晶体管。由于可以和传统硅基制造工艺无缝集成，该突破为面向AI应用的低功耗微芯片与专用硬件，提供了一条具备可量产规模化潜力的技术路线。