研究人員開發(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。

來自新南威爾士大學(xué)悉尼分校的研究人員開發(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關(guān)行為。

根據(jù)研究人員的說法，這是開發(fā)新一代未來電子設(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。“同時，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)體微縮問題

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

隨著時間的推移，晶體管變得越來越小，越來越強(qiáng)大，電子產(chǎn)品也是如此，想想你的手機(jī)——一個緊湊的手持式計(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。

但是有一個微縮問題。開發(fā)更強(qiáng)大的未來電子產(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從一個晶體管傳遞到下一個晶體管的能量損失和耗散而達(dá)到極限，”李教授說。

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，設(shè)計(jì)參數(shù)會受到影響，以至于當(dāng)前使用的材料由于信號從一個晶體管傳遞到下一個晶體管時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，而不會降低其性能，”該論文的主要作者Jing-Kai Huang博士說。“這意味著它可以像樂高積木一樣，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)知識來完成這項(xiàng)工作。

“制造設(shè)備涉及來自不同領(lǐng)域的人。通過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。

“第一個項(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，他們希望看看這種材料是否可以用來在一個芯片上構(gòu)建整個計(jì)算機(jī)的所有電路。

“收集了大量的數(shù)據(jù)來支持這些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。

“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。

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

“我們目前正在用晶體管制造邏輯電路，”李教授說，“與此同時，我們正在與亞太地區(qū)的幾個領(lǐng)先機(jī)構(gòu)接洽，以吸引投資，并通過這項(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