从材料层面，重新思考晶体管

来源:半导体行业观察发布时间:2023-05-15590浏览

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虽然许多研究人员专注于晶体管的小型化，但其他研究人员正在寻求材料科学来推进现代电子产品的这一构建模块。

晶体管在尺寸和速度方面已达到其物理极限。随着晶体管变得更小，源极和漏极之间的距离减小，导致高漏电流。并且随着晶体管尺寸接近原子级，很难控制电流，导致计算错误的概率更高。

较小的晶体管意味着较慢的开关速度，这在人工智能等需要处理大量数据集的较新应用中尤其成问题。由于堆叠和热管理问题，更密集的集成也成为一个挑战。

本文讨论了突破现有晶体管技术界限的最新研究进展，以及它们如何超越当前器件。

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在硅 CMOS 晶圆上生长二维材料

目前的晶体管体积庞大，不易垂直堆叠以实现高密度。对于这种集成，晶体管必须由只有几个原子厚的超薄二维材料制成。然而，在硅晶圆上生长二维材料具有挑战性，因为它通常需要 600°C 左右的温度，而电路最多只能承受 400°C。

为了解决这些问题，麻省理工学院 (MIT) 的研究人员开发了一种低温工艺，可以在不损坏芯片的情况下在芯片上生长二维材料。新工艺减少了创建二维材料所需的时间，并在整个表面区域创建了一个均匀的层。因此，新工艺可用于比传统工艺更大的表面。

麻省理工学院的研究人员专注于二硫化钼，这是一种具有电子和光子特性的透明柔性材料，用于展示和验证他们的新工艺。他们的过程被放置在一个有两个腔室的烤箱中：前面的低温区域和后面的高温区域。晶圆放在前面，因此它保持完好无损。汽化的钼和硫前体被泵入熔炉。钼留在前面，硫前驱体在高温区流动分解。分解后，它流回低温室，在那里生长二硫化钼。

研究人员将晶圆垂直放置在前室中，这样两个边缘都不会离高温区域太近。他们还在芯片顶部沉积了一层薄薄的钝化材料，以防止铝和铜等金属硫化，这些金属通常用于连接封装或载体的硅电路。随后去除钝化层以进行连接。研究人员计划微调他们的技术，并探索该工艺在聚合物、纺织品和纸张等柔性表面上的应用。

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新材料与硅基晶体管竞争

Forschungszentrum Jülich 的研究人员探索了具有比硅更有利的电子特性的材料，用于性能更好的电路。他们最近制造了一种锗锡合金，与传统的硅晶体管相比具有许多优点。

锗表现出比硅更高的电子迁移率。研究人员将锡原子添加到锗晶格中，以进一步优化材料的电子特性。新合金的电子迁移率比纯锗晶体管高 2.5 倍，并且与当前的 CMOS 制造工艺兼容。

新晶体管可在低至 12 开尔文的温度下工作——这是对现有晶体管的一项重要改进，现有晶体管需要高电压才能在低于 50 开尔文的温度下切换，从而消耗更多功率。科学家们声称，随着进一步的改进，他们的合金甚至可以让晶体管在低于 12 开尔文的温度下工作。该团队认为，他们的技术是下一代低功耗、高性能芯片以及未来量子计算机的有希望的候选者。

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木头晶体管

林雪平大学和 KTH 皇家理工学院的研究人员用木材制造了一种晶体管。为此，他们使用轻木，一种无纹理、结构均匀的木材。他们去除了木质素，只留下带有通道的纤维素纤维，然后用一种叫做 PEDOT:PSS 的导电聚合物填充。

该团队发现他们的设备可以调节电流并在选定的输出水平下提供连续运行。但是，切换时间非常长。关闭大约需要一秒钟，打开大约需要五秒钟。