（上圖左起）論文第一作者吳澤涵博士、郝建華教授

香港理工大學與新加坡國立大學等院校合作，通過納米工程，研製出一款突破波爾茲曼極限的隧穿場效應晶體管（TFET），令這項備受期待的技術進一步邁向商業化，成為低能耗芯片的基本組件。研究成果已刊於《科學》。

論文：

• https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx6059

研究背景

芯片運算能力的提升，長期依賴晶體管尺寸縮小與功耗降低。傳統互補金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的開關機制，依靠柵極電壓驅動「熱電子發射」，即通過熱能激發電子越過能量勢壘，從關閉態切換到開啟態。然而這一物理過程在室溫下受波爾茲曼極限（Boltzmann limit）限制：讓電流強度變化一個數量級，柵極電壓至少需要改變 60 毫伏，即「亞閾值擺幅」下限為 60mV/decade。這意味，無論材料或製程如何進步，熱電子發射的功耗始終存在物理天花板。

隧穿場效應晶體管（TFET）是改用量子隧穿原理，讓電子直接穿越勢壘，取代熱電子發射作為開關機制。這一架構原則上不受亞閾值擺幅下限限制，有助實現更低電壓、更低功耗的開關操作。

現時，國際設備和系統路線圖（International Roadmap for Devices and Systems，IRDS）已認定 TFET 是最有潛力取代 MOSFET 的低功耗晶體管方案。然而，實驗性質的 TFET 仍面對難題：輸出高達每微米數微安培（μA μm⁻¹）的高輸出電流時，難以同時具備極高的開關電流比。

研究成果

理大物理及材料學系系主任、材料物理與器件講座教授、理大武漢科技創新研究院副院長郝建華教授領導團隊，與新加坡國立大學李連忠教授，及香港科技大學、北京大學、新加坡科技設計大學的研究人員合作，進行本研究。

團隊採用脈衝激光沉積（PLD）技術，製作出超薄的 p 型二維鉍（Bi）與 n 型硒化銦（InSe）異質結構，並通過納米工程，對層狀結構進行精確控制，令原本呈半金屬性質的鉍在二維形態下轉化為半導體，形成理想的能帶對齊，使載流子得以隧穿，高效注入硒化銦。

由此製成的 Bi/InSe 隧穿場效應晶體管，在六個數量級的電流開關範圍內，其亞閾值擺幅遠低於每數量級 60 毫伏的熱電子極限。晶體管在室溫下的標準厘米尺寸硅基板上運作時，所需柵極電壓範圍僅為 160 毫伏，遠低於先進 MOSFET 所需的 800 毫伏。

此器件亦解決了實驗性質 TFET 在輸出電流與開關電流比之間的權衡。高輸出電流可驅動多個下游邏輯門，有助降低電路延遲，並與現有集成電路芯片相容。

本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切實可行。該技術能與傳統硅基製程相互配合，為節能微型芯片及推動 AI 應用的專用硬件提供了可規模化的發展藍圖。

研究團隊

論文第一作者是研究助理教授吳澤涵博士。共同通訊作者是郝建華教授、李連忠教授。香港院校的共同作者還包括科大王建農教授、理大楊明博士、蔡嵩驊博士等。

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