ACS Nano: 超低功耗范霍夫冷源晶体管

在人工智能与高性能计算快速发展的背景下，芯片功耗已成为制约算力持续提升的关键瓶颈。传统硅基金属-氧化物-半导体晶体管（MOSFET）在室温下受玻尔兹曼分布限制，其亚阈值摆幅（subthreshold swing, SS）难以低于60 mV/dec，从而限制了工作电压的进一步降低。

近日，北京大学电子学院司佳—张志勇团队提出并实验验证了一种范霍夫冷源晶体管（van Hove Source FET，VHS FET）。该器件利用准一维半导体在范霍夫奇点附近态密度随能量陡降的特性，在室温下实现最低49 mV/dec 的亚阈值摆幅。在0.5 V 工作电压条件下，其归一化开态电流与22 nm 技术节点硅基晶体管处于相当量级。相关成果发表于《ACS Nano》，为突破低功耗集成电路的物理瓶颈提供了新的器件思路。

研究团队提出利用准一维半导体在范霍夫奇点附近态密度（DOS）随能量快速下降的本征特性构建冷源。当源区费米能级被精确调节至某一范霍夫奇点附近时，高能载流子对应的可用态显著减少，从而在以热发射为主导的开关过程中有效抑制高能载流子注入，实现亚60 mV/dec 的陡峭开关行为。该机制不同于隧穿或负电容效应，而是源于源端载流子能量分布的改变。

图1：VHS FET 的工作概念及源区载流子能量分布示意

（2）同质结结构设计

VHS FET 采用源区与沟道由同一种准一维半导体材料构成的同质结结构，避免了异质结界面带来的额外散射与工艺复杂性，使冷载流子能够直接注入沟道。在器件结构上，VHS FET引入主栅与控制栅协同调控：主栅用于调制沟道势垒实现开关功能，控制栅用于精确调节源区费米能级位置，从而开启或关闭冷源效应。

（3）碳纳米管实验验证

研究团队以单根半导体型碳纳米管同时作为范霍夫源和沟道，对器件电学特性进行了系统实验验证。结果显示，在冷源工作模式下，该器件在室温条件下实现最低 49 mV/dec 的亚阈值摆幅（在一个数量级的电流范围内提取），突破了玻尔兹曼极限。进一步调节控制栅偏置，可以在亚阈值摆幅与开态电流之间实现协同优化，验证了范霍夫冷源机制的可调控性。

图3：冷源工作区间内 VHS FET 的亚阈值特性与性能优化

（4）低功耗与高性能协同潜力

在 450 nm 栅长、0.5 V 工作电压条件下，VHS FET 表现出与22 nm 节点硅基晶体管相当的归一化开态电流，而参考硅器件的工作电压约为0.75 V。这一结果表明，范霍夫冷源晶体管在显著降低供电电压的同时仍可保持可比的驱动能力，为降低逻辑电路动态功耗提供了现实可能。研究还进一步分析了器件向更小尺度微缩的潜力，为后续工程实现提供了方向。

范霍夫冷源晶体管通过源区态密度工程，在不依赖隧穿或负电容效应的情况下实现了室温下的亚60mV/dec开关。由于范霍夫奇点是多种准一维半导体材料的普遍特征，该冷源机制有望推广至更广泛的纳米线及其他准一维体系。该研究为后摩尔时代低功耗陡坡晶体管的设计提供了一种清晰且具可扩展性的物理路径，也为未来高能效算力芯片的发展奠定了基础。