新型金属空气晶体管诞生 再为摩尔定律续命20年

人们普遍认为，随着物理极限的逼近，摩尔定律，即集成电路上可容纳的硅晶体管的数目每两年便会增加一倍，将在 2025 年左右失效。但澳大利亚墨尔本皇家理工大学（RMIT University）的研究人员认为，他们开发的金属基场发射空气通道晶体管（ACT）可以在二十年内保持摩尔定律。

ACT 器件无需半导体。相反，它使用两个面内对称的金属电极（源极和漏极）隔开小于 35 纳米的气隙，底部用金属栅极调节发射场。纳米级气隙宽度小于空气中电子的平均自由路径，因此电子可以在室温下穿过空气而不会散射。

“与传统的必须采用硅作为基底的晶体管不同，我们的器件采用了一种自底向上的制造方法。如果能够确定最佳的气隙，我们就能够建立完整的 3D 晶体管网络。”12 月在 Nano Letters 上发表的关于新晶体管的论文的第一作者 Shruti Nirantar 说。“这意味着我们可以不再追求小型化，而是专注于研究紧凑的 3D 架构，这使每单位体积上能有更多的晶体管。”

用金属和空气来代替半导体作为晶体管的主要元件有许多优点，RMIT 功能材料和微系统研究组的候选人 Nirantar 博士说。它使得制造晶体管基本成为铺设发射器和收集器并限定气隙的单步过程。尽管 ACT 生产工艺采用标准的硅制造工艺，但由于不需要掺杂、热处理、氧化和形成硅化物等一系列步骤，生产成本被大幅削减。

此外，用金属代替硅意味着这些 ACT 器件可以在任何电介质表面上制造，只要下面的衬底能利用底部金属栅，高效调制从源极到漏极的发射电流。

“ACT 器件可以建在超薄玻璃、塑料和弹性体上，”Niranta 说。“因此，它们可以应用于可穿戴设备。”

更换空间电路中的固态沟道晶体管是另一个潜在应用。因为电子在电极之间流动，就像在真空中流动一样，辐射不会影响通道特性，这样 ACT 设备就可以适用于极端辐射和太空环境。

现在研究人员已经有了理论证明，下一步是通过测试不同的源极和漏极配置以及使用更耐受的材料来增强元件稳定性和提高效率。在制造 ACT 原型时，研究人员使用电子束光刻和薄膜沉积，而钨、金和铂为首选金属。

“我们还需要优化工作电压，因为电极金属尖端会使电场集中而导致局部熔化，”Niranta 表示。“这降低了它们的清晰度和发射效率。因此，我们正在研究能够提高集电极效率而减少发射极压力的方法。”她相信这可以在未来两年内完成。

展望未来，Niranta 指出，ACT 的理论速度在太赫兹范围内，大约是目前半导体器件工作速度的 1 万倍。“因此需要进一步研究来证明其操作极限，”她补充道。

至于商业化，Niranta 表示，从工业领域获得工业制造设备及相关支持，对于拓展 3D 晶体管网络是很有必要的。“有了这些支持和足够的研究经费，商用级金属基场发射空气通道晶体管有可能在十年内开发出来，这是一个大致时间。找到合适的合作对象会使这一切更快发生。