香港理工大学量子隧穿晶体管突破MOSFET物理极限

2026年8月27日，香港理工大学郝建华教授团队在《Science》（第393卷第6814期）发表里程碑论文，展示了一种量子隧穿场效应晶体管（TFET），从根本上挑战了传统MOSFET的开关电压极限。

该晶体管以量子带间隧穿作为载流子注入机制，而非MOSFET所依赖的热电子发射。这一区别至关重要：热电子发射受玻尔兹曼极限约束，在室温下对亚阈值摆幅施加了60 mV/dec的基本下限。量子隧穿完全绕过这一极限。

Bi/InSe异质结创新

核心材料创新是铋/硒化铟异质结，创造优化的隧穿注入能带对齐。铋作为半金属提供隧穿界面高态密度；InSe作为二维半导体具有约1.26 eV直接带隙，其原子级光滑表面和优异载流子迁移率使其成为理想通道材料。

两种材料间的范德华界面消除了传统半导体异质结中的悬挂键和界面粗糙度，创造具有近理想特性的隧穿结。

该器件实现多项突破：开关电压约160 mV，较传统MOSFET的600-800 mV实现5倍降低；开关比超过10⁷，较MOSFET提升10-100倍；亚阈值摆幅突破60 mV/dec的玻尔兹曼极限。

由于CMOS动态功耗与供电电压平方成正比（P ∝ CV²f），5倍电压降低可为等效性能带来最高25倍功耗降低。

半导体产业已接近MOSFET缩放极限十余年。当晶体管缩小至5nm以下，玻尔兹曼极限阻止了开关电压的进一步降低，形成制约性能提升的功耗墙。

PolyU结果的重大意义在于：室温工作、竞争性导通电流（~10 μA/μm足以支持物联网传感器和边缘AI推理等低功耗应用）、范德华异质结方法与新兴二维材料制造工艺兼容。

尽管取得突破，TFET替代MOSFET仍面临挑战：导通电流比高性能MOSFET低10-50倍；InSe等二维材料尚未与标准CMOS制造流程兼容；隧穿器件在生产环境中的长期可靠性尚未确立。

但PolyU的演示提供了迄今最有力的证据：玻尔兹曼极限并非晶体管技术不可逾越的障碍。量子隧穿FET已从理论可能走向实验现实——在能效最关键的指标上取得了明确优势。

该研究由PolyU应用物理学系联合多个国际机构共同完成，结合了PolyU在二维材料合成和器件制造方面的专长与合作团队的理论建模能力。论文发表于《Science》第393卷第6814期，代表团队在优化隧穿结方面约三年的集中攻关成果。

这一突破不仅对基础物理研究具有重要意义，也为后摩尔时代半导体器件工程提供了新方向。随着工业界寻找超越传统缩放的路径，量子隧穿FET已从理论可能走向实验现实——在能效最关键的指标上取得了明确优势，为下一代低功耗电子器件的开发奠定了基础。