新型晶体管电介质材料有望实现硅无法做到的事

来自新南威尔士大学悉尼分校的研究人员开发了一种微小，透明和灵活的材料，可用作晶体管中的新型电介质（绝缘体）组件。这种新材料将实现传统硅半导体电子产品无法做到的事情——在不影响其功能的情况下变得更小。

这种新材料可以帮助克服纳米级硅半导体生产的挑战，以实现可靠的电容和有效的开关行为。

根据研究人员的说法，这是开发新一代未来电子设备的关键瓶颈之一，如增强现实，柔性显示器和新的可穿戴设备，以及许多尚未发现的应用。

“它不仅为克服当前硅半导体行业在小型化方面的基本限制铺平了一条关键道路，而且还填补了由于硅的不透明和刚性而在半导体应用中形成的空白，”新南威尔士大学材料与制造期货研究所（MMFI）主任兼该研究的首席研究员Sean Li教授说。“同时，弹性和纤薄的特性可以实现灵活透明的2D电子产品。

 解决半导体微缩问题

晶体管是一种小型半导体器件，用作电子信号的开关，是集成电路的重要组成部分，从手电筒到助听器再到笔记本电脑，所有电子设备都是通过晶体管与其他组件（如电阻器和电容器）的各种排列和相互作用来实现的。

随着时间的推移，晶体管变得越来越小，越来越强大，电子产品也是如此，想想你的手机——一个紧凑的手持式计算机，具有比将第一批宇航员送上月球的计算机更强的处理能力。

但是有一个微缩问题。开发更强大的未来电子产品将需要亚纳米厚度的晶体管，这是传统硅半导体无法达到的尺寸。

“随着微电子小型化，目前使用的材料由于信号从一个晶体管传递到下一个晶体管的能量损失和耗散而达到极限，”李教授说。

微电子器件的尺寸不断减小，以实现更高的速度，当这种微缩发生时，设计参数会受到影响，以至于当前使用的材料由于信号从一个晶体管传递到下一个晶体管时的能量损失和耗散而被推向极限。目前由硅基半导体制成的最小晶体管为3nm。

 打破未来电子产品的瓶颈

在这项研究中，MMFI工程师使用独立的单晶钛酸锶（STO）膜作为栅极电介质制造了透明场效应晶体管。他们发现他们的新型微型器件与当前硅半导体场效应晶体管的性能相匹配。

“这项工作的关键创新是，我们将传统的3D材料转化为准2D形式，而不会降低其性能，”该论文的主要作者Jing-Kai Huang博士说。“这意味着它可以像乐高积木一样，与其它材料自由组装，为各种新兴和未被发现的应用制造高性能晶体管。

MMFI学者利用他们多样化的专业知识来完成这项工作。

“制造设备涉及来自不同领域的人。通过MMFI，我们与2D电气设备领域以及半导体行业的专家学者建立了联系，“该论文的合著者Ji Zhang博士说。

“第一个项目是制造独立的STO并研究其电气特性。随着项目的进展，它演变成使用独立式STO制造2D晶体管。在MMFI建立的平台的帮助下，我们能够共同努力完成该项目。

该团队现在正致力于规模生产，换句话说，他们希望看看这种材料是否可以用来在一个芯片上构建整个计算机的所有电路。

“收集了大量的数据来支持这些2D电子产品的性能，这表明该技术有望实现大尺寸晶圆生产和工业应用，”该论文的另一位合著者Junjie Shi博士说。

“实现这一目标将使我们能够制造出密度更接近商业产品的更复杂的电路，这是使我们的技术惠及人们的关键一步，“黄博士说。

目前，该技术受到两项澳大利亚临时专利申请的保护，MMFI和新南威尔士大学希望将知识产权商业化并将其推向市场。

“我们目前正在用晶体管制造逻辑电路，”李教授说，“与此同时，我们正在与亚太地区的几个领先机构接洽，以吸引投资，并通过这项技术的工业化在新南威尔士州建立半导体制造能力。