香港理工大學（PolyU）的研究團隊研發出一種新穎的穿隧場效電晶體（TFET），突破了長期存在的物理障礙——「波茲曼極限」，這是微電子學領域的一項重大進展。這項發表於《Science》期刊的突破，可望重塑節能運算與下一代 AI 晶片的發展。

傳統電晶體是積體電路的基本組成單元，依靠熱離子發射來開啟與關閉。在室溫下，此過程需要至少 60 毫伏特（mV）的閘極電壓，這項由波茲曼極限所設下的限制，一直阻礙高效能電子元件的進一步微型化與能效提升。由物理及材料學系系主任、材料物理與器件講座教授郝建華帶領的港大團隊，利用量子穿隧效應突破了這項限制。

量子穿隧讓電荷載子能穿越在古典物理中無法逾越的能量障壁。研究團隊透過精心設計二維鉍與硒化銦層的異質結構，將原本半金屬性的鉍轉變為半導體。這項結構上的改變使載子能夠有效穿隧進入硒化銦，從而產生次臨界擺幅（SS）遠低於 60 mV/decade 限制的電晶體。次臨界擺幅衡量電晶體在關閉與開啟狀態之間切換的陡峭程度；切換越陡峭，每次切換操作所需的電壓就越低，能耗也隨之減少。突破 60 mV/decade 下限的元件研發一直是該領域的長期目標，TFET 與負電容電晶體等其他陡峭斜率方案同為全球主要的研究候選方向。

這種新式 TFET 可在室溫下於矽基板上運作，對整合至現有製程而言是關鍵的實務優勢。它僅需 160 mV 的閘極電壓範圍，相較之下傳統元件需要 800 mV。電壓需求的大幅降低意味著顯著更低的功耗，這是節能運算以及需要龐大運算力的 AI 技術的關鍵因素。由於電晶體的切換能量隨電壓而變，降低操作電壓是削減處理器功耗最直接的途徑之一；隨著 AI 訓練與推論對運算和能源的需求持續增長，這已成為日益迫切的課題。

過去實驗性 TFET 的一大挑戰，是在維持高開關電流比的同時實現高輸出電流。港大團隊的元件克服了這一障礙，同時具備高輸出電流與卓越的開關切換比。這樣的效能使電晶體能夠驅動多個下游邏輯閘並降低電路延遲，適合用於實際的積體電路。

郝教授強調此項成果的重要性：「透過採用量子穿隧，我們的 TFET 突破了這一界限，為新興 AI 晶片與先進半導體應用不可或缺的超低功耗、高效能積體電路鋪平了道路。」

這項研究是與新加坡國立大學、香港科技大學、北京大學以及新加坡科技設計大學合作完成。

這項發展對電子學的未來具有深遠影響。隨著半導體產業逐漸逼近傳統 MOSFET 技術的物理極限，量子穿隧 TFET 等創新方案提供了一條可行的前進道路。在不犧牲效能的前提下以更低電壓運作，可望實現更有效率的資料中心、更長的行動裝置電池續航力，以及能耗更低、功能更強大的 AI 系統。該技術在矽基板上的成功展示，顯示從研究邁向商業應用的過渡將更為順利，不過要從實驗室示範走向量產，通常仍需在材料品質、元件均勻性與大規模製程整合方面進一步發展。

來源：Citybuzz