新南威尔士大学：工程师为微型晶体管开发新的集成路线
新南威尔士大学悉尼分校的研究人员开发了一种微小、透明且灵活的材料，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。
这项最近 发表在《自然》杂志上的研究表明，大规模生产 2D 场效应晶体管(一种用于控制电子设备电流的装置)具有潜力。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(电荷存储)和高效的开关行为。
据研究人员称，这是解决新一代未来电子设备开发的关键瓶颈之一，包括增强现实、柔性显示器和新型可穿戴设备，以及许多尚未发现的应用。
新南威尔士大学材料与制造部的Sean Li 教授说：“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途径，而且还填补了由于硅的不透明和刚性而导致的半导体应用空白。”期货研究所(MMFI) 主任和该研究的首席研究员。“同时，弹性和纤薄的特性可以实现灵活和透明的二维电子产品。”
解决半导体缩放问题
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。所有电子产品，从手电筒到助听器再到笔记本电脑，都是通过晶体管与电阻器和电容器等其他组件的各种排列和相互作用而实现的。
随着时间的推移，晶体管变得更小、更强大，电子产品也是如此。想想你的手机——一个比将第一批宇航员送上月球的电脑处理能力更强的紧凑型手持电脑。
但是有一个缩放问题。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。
“随着微电子小型化的发生，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，目前使用的材料被推到了极限，”李教授说。
微电子器件的尺寸不断减小以实现更高的速度。随着这种收缩的发生，设计参数受到影响，使得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到极限。目前由硅基半导体制成的最小晶体管为 3 纳米。
要了解这些设备需要多小——想象一下尺子上的一厘米，然后数出该厘米的 10 毫米。现在，在其中一个毫米中，再计算一百万个微小的片段——每个片段都是一纳米或纳米。
“在这样的限制下，人们极大地推动了从根本上创新新材料和技术以满足全球微电子市场永不满足的需求，”李教授说。
新南威尔士大学材料与制造期货研究所的黄静凯博士、张吉博士、石俊杰博士和肖恩李教授。照片：罗伯特·拉金特。
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的场效应晶体管。他们发现他们的新型微型设备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在于，我们将传统的 3D 块状材料转化为准 2D 形式，而不会降低其特性，”该论文的第一作者黄晶凯博士说。“这意味着它可以像乐高积木一样与其他材料自由组装，为各种新兴和未被发现的应用创造高性能晶体管。”
MMFI 的学者们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，我们与二维电子设备领域和半导体行业的专家学者建立了联系，”该论文的合著者张继博士说。
“第一个项目是制造独立式 STO 并研究其电气特性。随着项目的进展，它演变为使用独立式 STO 制造 2D 晶体管。在 MMFI 建立的平台的帮助下，我们能够一起完成这个项目。”
该团队现在正致力于晶圆级生产。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。
“收集了大量数据集以支持这些二维电子设备的性能，表明该技术有望用于大尺寸晶圆生产和工业应用，”该论文的另一位合著者石俊杰博士说。
“实现这一目标将使我们能够制造更复杂的电路，其密度更接近商业产品。这是让我们的技术惠及大众的关键一步，”黄博士说。
研究人员还表示，他们的发展是迈向电子和本地制造弹性新时代的有希望的一步。
“由于地缘政治的变化和大流行，我们看到全球半导体供应链出现更多中断，我们相信这也是澳大利亚在不久的将来利用我们独特的技术加入并加强这一供应链的机会，”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行业接洽，以通过这项技术的产业化来吸引投资并在新南威尔士州建立半导体制造能力。”
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