在现代电子设备的核心，硅晶体管扮演着至关重要的角色，其多功能性无可替代。然而，一个名为“波尔兹曼暴政”的物理极限，如同一道难以逾越的屏障，限制了硅晶体管在低于特定电压下的运行能力。这一局限不仅阻碍了性能的进一步提升，还限制了其应用范围，特别是在AI技术飞速发展、对计算能力需求日益增长的当下。
为了打破这一僵局，美国麻省理工学院的一支科研团队取得了突破性进展。他们利用锑化镓和砷化铟这两种超薄半导体材料，成功研发出了一种全新的纳米级3D晶体管。这项研究得到了英特尔公司的部分资助，成果已在《自然·电子学》杂志上发表（DOI:10.1038/s41928-024-01279-w）。
与传统的硅晶体管相比，这种3D晶体管在结构上采用了垂直纳米线场效应晶体管（VNFET）技术。通过垂直定向而非水平布局来管理电子流，这一创新设计巧妙地规避了水平晶体管所面临的某些限制。更为惊人的是，这种3D晶体管的尺寸之小，堪称迄今之最，其性能和功能不仅与现有硅基晶体管不相上下，甚至有所超越。
为了进一步优化晶体管的尺寸，研究团队还创造出了直径仅为6纳米的垂直纳米线异质结构。这种新型晶体管能够在远低于传统硅晶体管的电压下高效运行，同时保持卓越的性能。麻省理工学院博士后、新晶体管论文的主要作者邵燕杰表示：“这项技术完全有潜力取代硅，成为现有硅晶体管领域的更高效替代品。”
团队还将量子隧穿原理引入到了新型晶体管的架构中。在量子隧穿现象中，电子能够穿越能量势垒，而非像传统理论那样需要翻越。这一特性使得晶体管更容易被打开或关闭，从而在几平方纳米的尺度上同时实现了低电压运行和高性能。这一创新有望推动芯片上3D晶体管的集成密度大幅提升，为开发出更快、更强、更节能的电子设备铺平道路。
麻省理工学院电气工程与计算机科学系的Donner工程学教授Jesús del Alamo对这项研究给予了高度评价：“传统物理学已经走到了它的极限。而邵燕杰的工作表明，我们可以做得更好，但必须使用不同的物理学原理。尽管要使这种方法在未来实现商业化还面临诸多挑战，但从概念上讲，这确实是一个重大的突破。”他进一步指出：“我们在这项工作中真正跨入了‘单纳米’尺寸领域，世界上很少有团队能够制造出如此微小且功能良好的晶体管。”
除了Jesús del Alamo教授外，麻省理工学院的核工程和材料科学与工程教授、东京电力公司教授Ju Li，以及EECS博士生Hao Tang、MIT博士后Baoming Wang，还有意大利乌迪内大学的教授Marco Pala和David Esseni也参与了这项研究，共同见证了这一科学奇迹的诞生。
