研究人員開發了一種微小、透明的材料，可用作晶體管中的新型電介質組件。

來自新南威爾士大學悉尼分校的研究人員開發了一種微小，透明和靈活的材料，可用作晶體管中的新型電介質（絕緣體）組件。這種新材料將實現傳統硅半導體電子產品無法做到的事情——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體生產的挑戰，以實現可靠的電容和有效的開關行為。

根據研究人員的說法，這是開發新一代未來電子設備的關鍵瓶頸之一，如增強現實，柔性顯示器和新的可穿戴設備，以及許多尚未發現的應用。

“它不僅為克服當前硅半導體行業在小型化方面的基本限制鋪平了一條關鍵道路，而且還填補了由于硅的不透明和剛性而在半導體應用中形成的空白，”新南威爾士大學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現靈活透明的2D電子產品。

解決半導體微縮問題

晶體管是一種小型半導體器件，用作電子信號的開關，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現的。

隨著時間的推移，晶體管變得越來越小，越來越強大，電子產品也是如此，想想你的手機——一個緊湊的手持式計算機，具有比將第一批宇航員送上月球的計算機更強的處理能力。

但是有一個微縮問題。開發更強大的未來電子產品將需要亞納米厚度的晶體管，這是傳統硅半導體無法達到的尺寸。

“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到極限，”李教授說。

微電子器件的尺寸不斷減小，以實現更高的速度，當這種微縮發生時，設計參數會受到影響，以至于當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。目前由硅基半導體制成的最小晶體管為3nm。

打破未來電子產品的瓶頸

在這項研究中，MMFI工程師使用獨立的單晶鈦酸鍶（STO）膜作為柵極電介質制造了透明場效應晶體管。他們發現他們的新型微型器件與當前硅半導體場效應晶體管的性能相匹配。

“這項工作的關鍵創新是，我們將傳統的3D材料轉化為準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?！斑@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現的應用制造高性能晶體管。

MMFI學者利用他們多樣化的專業知識來完成這項工作。

“制造設備涉及來自不同領域的人。通過MMFI，我們與2D電氣設備領域以及半導體行業的專家學者建立了聯系，“該論文的合著者Ji Zhang博士說。

“第一個項目是制造獨立的STO并研究其電氣特性。隨著項目的進展，它演變成使用獨立式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目。

該團隊現在正致力于規模生產，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建整個計算機的所有電路。

“收集了大量的數據來支持這些2D電子產品的性能，這表明該技術有望實現大尺寸晶圓生產和工業應用，”該論文的另一位合著者Junjie Shi博士說。

“實現這一目標將使我們能夠制造出密度更接近商業產品的更復雜的電路，這是使我們的技術惠及人們的關鍵一步，“黃博士說。

目前，該技術受到兩項澳大利亞臨時專利申請的保護，MMFI和新南威爾士大學希望將知識產權商業化并將其推向市場。

“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的幾個領先機構接洽，以吸引投資，并通過這項技術的工業化在新南威爾士州建立半導體制造能力。

編輯：黃飛