理大研新型量子隧穿晶體管 突破物理極限 助低功耗AI芯片發展

香港文匯報訊（記者 莫楠）面向低能耗運算與新一代人工智能芯片（AI）需求，晶體管必須在更低電壓下實現更快、更精準的開關，才能在不大幅增加耗電與發熱的前提下推升算力。香港理工大學物理及材料學系系主任郝建華領導、並與多所大學合作的研究團隊，運用二維納米材料成功研製全新量子隧穿場效應晶體管（TFET），在開關性能上取得突破，推動這項被視為下一代低功耗晶體管方案的技術更接近商業化應用，為節能微型芯片及AI硬件發展提供重要基礎組件。相關成果已發表於國際權威科學期刊《Science》。

集成電路由大量可在「開／關」狀態間切換的晶體管構成，是現代運算的核心。傳統互補金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）依靠閘極電壓驅動熱電子發射，使電荷跨越勢壘；在此機制下，要令電流變化一個數量級，所需最低閘極電壓約為60毫伏特。受「波爾茲曼極限」所限，室溫下MOSFET的亞閾值擺幅（Subthreshold swing，SS）難以低於每十倍60毫伏特，成為高性能、低功耗芯片進一步發展的重要樽頸。

郝建華指出，《國際器件及系統路線圖》（IRDS）已將TFET列為最有潛力取代MOSFET的低功耗晶體管方案。TFET以量子隧穿取代熱電子發射，有望突破「調控每十倍電流需60毫伏特閘極電壓」的界限，跨越MOSFET的物理限制，為新一代AI芯片及先進半導體應用所需的超低功耗、高性能集成電路奠定基礎。

為克服以往TFET設計的效率局限，團隊採用脈衝激光沉積（PLD）技術，製作超薄二維鉍（Bi）與硒化銦（InSe）交替層異質結構，並在納米尺度上精準控制層狀結構，使原本呈半金屬性的鉍在二維形態下轉化為半導體，形成更理想的能帶對齊，讓載流子透過量子隧穿機制高效注入硒化銦。

測試結果顯示，該Bi/InSe量子隧穿場效應晶體管在六個數量級的電流開關範圍內，亞閾值擺幅遠低於每十倍60毫伏特的熱電子極限。器件在室溫、標準厘米尺寸矽基板上運作時，所需閘極電壓範圍僅約160毫伏特，明顯低於先進MOSFET常見的約800毫伏特。

更重要的是，該器件同時解決實驗型TFET長期面對的難題：在保持極高開關電流比之餘，仍能輸出高達每微米數微安培的高輸出電流。高輸出電流對驅動多個下游邏輯閘極至關重要，可降低電路延遲，並提升與現有集成電路芯片的相容性，具備帶動跨代升級的潛力。

研究亦證明，脈衝激光沉積技術在製造精密、晶圓級二維材料方面具可行性，而這類材料對未來採用超短通道的晶體管尤其關鍵。由於PLD可與傳統矽基製程配合，相關突破為節能微型芯片及推動AI應用的專用硬件，提供更具規模化的發展藍圖。