新型3D晶体管，突破极限

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加州大学圣巴巴拉分校的研究人员利用二维 (2D) 半导体技术，研发出新型三维 (3D) 晶体管，这是半导体技术的重大进步。他们的方法为具有前所未有的微型化潜力的节能、高性能电子产品铺平了道路。

“这一突破代表着我们朝着下一代晶体管技术迈出了重要一步，这种技术能够支持计算和人工智能应用的快速发展，”电气与计算机工程教授、纳米电子学和二维材料领域知名专家 Kaustav Banerjee表示。“通过将原子厚度的二维半导体集成到三维架构中，我们为性能提升、晶体管可扩展性和能源效率开辟了新的可能性。”

班纳吉和他的团队的研究成果发表在《自然电子》杂志上。

突破晶体管小型化的极限

为了提高现有设备的性能并推动新技术的进步，选择的策略是将晶体管（现代电子产品的基本元件）小型化，以便更密集地封装它们，并在相同尺寸的芯片上实现更多操作。

事实上，微型化领域一些最重要的进步已经促成了应变硅和高 k/金属栅极场效应晶体管 (FET) 的设计和开发，这些晶体管解决了尺寸缩小难题并提高了性能。然而，就主流硅技术而言，晶体管只能缩小到一定尺寸，否则就会达到性能极限，尤其是在能效方面。这些限制被称为“短沟道效应”，表现为亚阈值漏电流和开关不良，这使得在保持低功耗的同时缩小这些晶体管的尺寸变得困难。

十多年前，随着 Fin-FET 的引入，许多限制都得到了克服。Fin-FET 是一种 3D 架构，将“栅极”包裹在从晶体管源极到漏极的通道周围，从而减轻了短通道效应，同时缩小了占位面积。然而，据作者称，即使对于最先进的 Fin-FET 来说，将晶体管缩小到 10 纳米以下通道长度，同时保持低功耗和良好的性能，也越来越具有挑战性。

在这方面，UCSB 团队的研究表明，当使用 2D 半导体实现 3D 栅极环绕 (GAA) 结构晶体管时，其增强的静电特性可用于实现最终缩小的几纳米通道长度晶体管，从而显著提高性能和能效。他们将这些 3D GAA 晶体管缩写为 NXFET，其中 N=纳米，X=片、叉或板，代表通道堆叠的拓扑结构。他们的研究确定了如何使用 2D 半导体独特地设计此类晶体管。

解锁纳米板 FET 的力量

具体而言，研究中引入的纳米板 FET 架构被证明可以最大限度地发挥原子级厚度的 2D 材料（如二硫化钨 (WS₂)）的独特性能。这种新颖的架构利用了 2D 层的横向堆叠，类似于“板堆”，将集成密度提高了十倍，并具有等性能指标。

Banerjee 解释道：“通过利用 2D 材料独特的物理和量子力学特性，我们可以克服许多与用硅设计的传统 3D 晶体管相关的限制。我们的模拟表明，纳米板晶体管在能源效率和性能方面实现了显著的改进，通道长度缩小到 5nm 以下。”

用于先进设计的尖端工具

该团队利用最先进的模拟工具（包括 QTX，一种基于非平衡格林函数框架的量子传输工具）来评估其设计的性能。这种方法使他们能够模拟关键因素，例如能带非抛物线性、有限带宽、接触电阻和载流子迁移率，这些测量值描述了材料与穿过它的电荷载流子（如电子）之间的关系。为了提供准确的输入参数，研究人员使用了密度泛函理论，该理论部分由已故的Walter Kohn开发，他是加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学家，因“开发密度泛函理论”而获得 1998 年诺贝尔化学奖。

该研究的主要作者阿纳布·帕尔 (Arnab Pal) 说：“先进的量子传输方法与非理想接触电阻和电容等实际考虑相结合，使我们的框架既全面又切合实际。”

转变 CMOS 缩放比例

研究结果表明，基于 2D 半导体的 3D-FET 在驱动电流（操作器件的电流量）和能量延迟积（切换所需的能量）等关键指标方面优于硅基 3D-FET。2D 材料的薄度可最大限度地降低器件电容，从而降低功耗，而其垂直堆叠则支持在制造过程中实现更好的缩放。

“我们的工作不仅展示了二维材料的潜力，还为将其集成到三维晶体管设计中提供了详细的蓝图，”该研究的合著者曹伟说。“这是半导体行业在寻求延续摩尔定律的过程中向前迈出的关键一步。”

展望

着眼于未来的发展，UCSB 团队计划深化与行业合作伙伴的合作，以加速这些技术的采用。他们还计划通过纳入缺陷散射和自热等其他现实因素来改进模型，以支持实验验证。

“这项研究代表了基础科学和实用工程的一次激动人心的融合，”班纳吉总结道。“我们致力于推动二维半导体从实验室向实际应用的转变。”

这项创新的影响超出了传统计算的范围，在边缘 AI、柔性电子和物联网超低功耗设备方面都有潜在应用。这些发现还巩固了加州大学圣巴巴拉分校在先进半导体研究方面的领导地位，延续了其在电子和光子技术领域取得开创性突破的传统。

https://news.ucsb.edu/2025/021805/next-gen-3d-transistors-transform-energy-efficient-electronics

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