美首次制造出不使用半导体的晶体管
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2013/6/28
氮化硼 + 金量子点，室温量子隧穿颠覆传统芯片逻辑
科技日报讯（编译整理）
来源：美国每日科学网站 6 月 21 日报道
发表日期：2025-07-31
一句话看懂
美国密歇根理工大学团队首次利用 氮化硼纳米管（BNNTs） 与 3 nm 金量子点，在室温下实现 无半导体量子隧穿晶体管。
器件 1 µm 长、20 nm 宽，开关比高、几乎零漏电，有望突破硅基微缩极限与功耗瓶颈。
硅基芯片的“天花板”
- 尺寸极限：10–20 nm 节点后，硅晶体管再缩小困难重重。
- 功耗瓶颈：半导体带隙导致 漏电-发热 恶性循环，能耗飙升。
研究思路：索性不要半导体
2007 年起，团队负责人 叶跃进（密歇根理工大学物理学家）决定 绕过硅，思路：
“用纳米级绝缘体做骨架，再把纳米金属当电子岛，靠量子隧穿实现开关。”
材料组合
| 组件 | 材料 | 作用 |
|---|---|---|
| 骨架 | 氮化硼纳米管（BNNTs） | 超细、直径一致、天然绝缘 |
| 电子岛 | 3 nm 金量子点（QDs） | 尺寸量子化，限制电子数量 |
| 组装方式 | 激光定点沉积 | 精准控制位置与间距 |
室温量子隧穿实验
- 合作单位：橡树岭国家实验室（ORNL）
- 测试条件：室温，两端电极加偏压
- 现象：电子 “点对点” 精确跳跃 → 量子隧穿通道开启
- 结果：
- 高电压：晶体管 导通
- 低/零电压：恢复 绝缘态
- 零漏电：无电子漏入 BNNTs，器件保持 “冷隧道”
理论模型
密歇根理工物理学家 约翰·雅什查克 给出解释：
“金岛宽度必须 < 20 nm，才能在室温下让 单个/少量电子 可控隧穿；
电极间距缩至亚微米，隧穿概率可趋近 100 %。”
对比历史方案
| 方案 | 工作温度 | 关键材料 | 本研究突破 |
|---|---|---|---|
| 早期隧穿晶体管 | 液氦 4.2 K | 传统半导体异质结 | 室温运行 |
| 硅 TFET | 室温 | 硅-锗、III-V | 仍依赖半导体，漏电大 |
产业意义
- 逻辑器件：替代硅 MOSFET，延续摩尔定律
- 低功耗 IoT：零待机漏电，延长电池寿命
- 柔性/透明电子：绝缘 BNNTs 可兼容非硅衬底
下一步
团队正优化：
- 大面积 BNNTs 生长与金量子点精准定位
- 接触电阻、良率与 CMOS 工艺兼容性
“这是第一次把绝缘体和金属量子点做成真正意义上的晶体管，
而不是实验室里的低温玩具。”——叶跃进