研究人員開(kāi)發(fā)了一種微小、透明的材料，可用作晶體管中的新型電介質(zhì)組件。

來(lái)自新南威爾士大學(xué)悉尼分校的研究人員開(kāi)發(fā)了一種微小，透明和靈活的材料，可用作晶體管中的新型電介質(zhì)（絕緣體）組件。這種新材料將實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體電子產(chǎn)品無(wú)法做到的事情——在不影響其功能的情況下變得更小。

這種新材料可以幫助克服納米級(jí)硅半導(dǎo)體生產(chǎn)的挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)可靠的電容和有效的開(kāi)關(guān)行為。

根據(jù)研究人員的說(shuō)法，這是開(kāi)發(fā)新一代未來(lái)電子設(shè)備的關(guān)鍵瓶頸之一，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，柔性顯示器和新的可穿戴設(shè)備，以及許多尚未發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用。

“它不僅為克服當(dāng)前硅半導(dǎo)體行業(yè)在小型化方面的基本限制鋪平了一條關(guān)鍵道路，而且還填補(bǔ)了由于硅的不透明和剛性而在半導(dǎo)體應(yīng)用中形成的空白，”新南威爾士大學(xué)材料與制造期貨研究所（MMFI）主任兼該研究的首席研究員Sean Li教授說(shuō)。“同時(shí)，彈性和纖薄的特性可以實(shí)現(xiàn)靈活透明的2D電子產(chǎn)品。

解決半導(dǎo)體微縮問(wèn)題

晶體管是一種小型半導(dǎo)體器件，用作電子信號(hào)的開(kāi)關(guān)，是集成電路的重要組成部分，從手電筒到助聽(tīng)器再到筆記本電腦，所有電子設(shè)備都是通過(guò)晶體管與其他組件（如電阻器和電容器）的各種排列和相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

隨著時(shí)間的推移，晶體管變得越來(lái)越小，越來(lái)越強(qiáng)大，電子產(chǎn)品也是如此，想想你的手機(jī)——一個(gè)緊湊的手持式計(jì)算機(jī)，具有比將第一批宇航員送上月球的計(jì)算機(jī)更強(qiáng)的處理能力。

但是有一個(gè)微縮問(wèn)題。開(kāi)發(fā)更強(qiáng)大的未來(lái)電子產(chǎn)品將需要亞納米厚度的晶體管，這是傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體無(wú)法達(dá)到的尺寸。

“隨著微電子小型化，目前使用的材料由于信號(hào)從一個(gè)晶體管傳遞到下一個(gè)晶體管的能量損失和耗散而達(dá)到極限，”李教授說(shuō)。

微電子器件的尺寸不斷減小，以實(shí)現(xiàn)更高的速度，當(dāng)這種微縮發(fā)生時(shí)，設(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)受到影響，以至于當(dāng)前使用的材料由于信號(hào)從一個(gè)晶體管傳遞到下一個(gè)晶體管時(shí)的能量損失和耗散而被推向極限。目前由硅基半導(dǎo)體制成的最小晶體管為3nm。

打破未來(lái)電子產(chǎn)品的瓶頸

在這項(xiàng)研究中，MMFI工程師使用獨(dú)立的單晶鈦酸鍶（STO）膜作為柵極電介質(zhì)制造了透明場(chǎng)效應(yīng)晶體管。他們發(fā)現(xiàn)他們的新型微型器件與當(dāng)前硅半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能相匹配。

“這項(xiàng)工作的關(guān)鍵創(chuàng)新是，我們將傳統(tǒng)的3D材料轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)2D形式，而不會(huì)降低其性能，”該論文的主要作者Jing-Kai Huang博士說(shuō)。“這意味著它可以像樂(lè)高積木一樣，與其它材料自由組裝，為各種新興和未被發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用制造高性能晶體管。

MMFI學(xué)者利用他們多樣化的專業(yè)知識(shí)來(lái)完成這項(xiàng)工作。

“制造設(shè)備涉及來(lái)自不同領(lǐng)域的人。通過(guò)MMFI，我們與2D電氣設(shè)備領(lǐng)域以及半導(dǎo)體行業(yè)的專家學(xué)者建立了聯(lián)系，“該論文的合著者Ji Zhang博士說(shuō)。

“第一個(gè)項(xiàng)目是制造獨(dú)立的STO并研究其電氣特性。隨著項(xiàng)目的進(jìn)展，它演變成使用獨(dú)立式STO制造2D晶體管。在MMFI建立的平臺(tái)的幫助下，我們能夠共同努力完成該項(xiàng)目。

該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正致力于規(guī)模生產(chǎn)，換句話說(shuō)，他們希望看看這種材料是否可以用來(lái)在一個(gè)芯片上構(gòu)建整個(gè)計(jì)算機(jī)的所有電路。

“收集了大量的數(shù)據(jù)來(lái)支持這些2D電子產(chǎn)品的性能，這表明該技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)大尺寸晶圓生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用，”該論文的另一位合著者Junjie Shi博士說(shuō)。

“實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將使我們能夠制造出密度更接近商業(yè)產(chǎn)品的更復(fù)雜的電路，這是使我們的技術(shù)惠及人們的關(guān)鍵一步，“黃博士說(shuō)。

目前，該技術(shù)受到兩項(xiàng)澳大利亞臨時(shí)專利申請(qǐng)的保護(hù)，MMFI和新南威爾士大學(xué)希望將知識(shí)產(chǎn)權(quán)商業(yè)化并將其推向市場(chǎng)。

“我們目前正在用晶體管制造邏輯電路，”李教授說(shuō)，“與此同時(shí)，我們正在與亞太地區(qū)的幾個(gè)領(lǐng)先機(jī)構(gòu)接洽，以吸引投資，并通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)化在新南威爾士州建立半導(dǎo)體制造能力。

編輯：黃飛