下一代微電子技術的運算能力能否提升，研發具突破性開關性能的晶體管成為關鍵。香港理工大學研究團隊近期運用二維（2D）納米材料，成功研製出一款新型量子隧穿場效應晶體管（TFET），有效破解傳統半導體技術中「波爾茲曼極限」的物理限制。這項成果不僅推動該技術走向商業化，更為低能耗運算及新一代人工智能（AI）晶片提供了核心組件。
這次研究由理大物理及材料學系系主任郝建華教授領導，並聯合新加坡國立大學、香港科技大學、北京大學及新加坡科技設計大學等多所院校專家共同完成。相關研究成果已於國際權威科學期刊《Science》正式發表。集成電路作為現代運算的基礎，其性能受限於晶體管的開關狀態切換，而傳統的互補金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）受到物理極限阻礙，在室温下亞閾值擺幅無法降至每十倍 60 毫伏特以下，限制了高性能電子產品的演進。
郝建華教授指出，《國際器件及系統路線圖》已將 TFET 視作最具潛力取代 MOSFET 的低功耗方案。團隊研發的二維異質結構晶體管，透過量子隧穿機製取代傳統的熱電子發射，成功突破了調控電流所需的電壓界限，打破 MOSFET 的物理屏障。這項技術進步為未來 AI 晶片及先進半導體應用所追求的超低功耗、高性能集成電路奠定了堅實基礎。
為提升設計效率，團隊利用脈衝激光沉積（PLD）技術，精確製作出超薄的二維鉍（Bi）與硒化銦（InSe）交替層異質結。在納米結構的精準控制下，原本具備半金屬性質的鉍在二維形態中轉化為半導體，形成了理想的能帶對齊，促使電荷載流子能高效透過量子隧穿機制注入硒化銦之中。
根據實驗數據顯示，這款 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。在標準釐米尺寸的矽基板上室温運作時，其所需閘極電壓範圍僅為 160 毫伏特，相比先進 MOSFET 所需的 800 毫伏特大幅減少。
此項研發同時解決了 TFET 長期面臨的高輸出電流與開關電流比的難題。該器件能提供每微米數微安培的高輸出電流，這對驅動下游邏輯閘極、降低電路延遲至關重要，並能與現有集成電路晶片實現良好相容，甚至有望帶動硬件跨代升級。
Bi/InSe 量子隧穿場效應晶體管及其結構圖，顯示其在室溫下運作時僅需極低閘極電壓。
研究進一步證實，脈衝激光沉積技術在製造晶圓級二維材料上具有可行性，特別適用於未來採用超短通道的晶體管研發。由於該生產技術能與傳統矽基製程配合，這項突破性成果為開發節能微型晶片及 AI 專用硬件提供了可規模化的發展路徑。
理大物理及材料學系系主任郝建華教授（右）與該篇《Science》論文第一作者吳澤涵博士（左）展示採用脈衝激光沉積技術製作的二維鉍與硒化銦交替層異質結。
郝建華教授（左）與吳澤涵博士（右）及其研究團隊透過以量子隧穿取代熱電子發射，成功製造出具備高輸出電流的高性能器件。
