新型 3D 集成金属氧化物晶体管用于制造紧凑、高密度电子产品
晶体管是许多电子设备的核心元件，起到放大和切换电信号的作用。电子行业的一个主要目标是继续提高晶体管的性能和能效，同时缩小其尺寸。阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) 的研究人员最近开发出了一种新型三维 (3D) 集成晶体管，这种晶体管可以垂直堆叠在一起。根据他们在《自然电子学》上发表的一篇论文中提出的设计，他们能够堆叠迄今为止数量最多的晶体管，这可能会显著提高电子产品的性能。
“我们最近的论文展示了世界上数量最多的堆叠金属氧化物晶体管，这源于克服传统平面晶体管局限性的迫切需求，”论文合著者李晓航告诉 TechXplore。“随着技术的发展，对更强大、更高效、更紧凑的电子设备的需求不断增长。然而，传统的平面晶体管正在达到其物理和性能极限，这限制了它们满足这些需求的能力。这也被称为摩尔定律的放缓。”
李和他的同事一直在努力克服影响半导体行业的已知挑战，例如摩尔定律的放缓以及寻找可以进一步提高晶体管性能的新材料或设计。因此，他们一直在探索超越传统晶体管二维布局的全新独特方法。
在他们最近的工作中，他们特别评估了垂直堆叠晶体管的可能性。这种方法本质上是将晶体管堆叠在一起，这可以增加晶体管密度，从而提高电子产品的性能。
“我们研究的首要目标是提高晶体管密度，”李解释说。“通过开发一种低热预算和低界面粗糙度的技术，我们开发出了一种 10 层纳米厚的复合半导体晶体管；我们的目标是最大限度地利用晶圆空间。这种垂直堆叠方法允许将更多晶体管集成到给定区域中，从而显著提高处理能力和效率。”
该研究团队提出的设计需要在兼容 CMOS 的硅/二氧化硅 (Si/SiO 2 ) 基板上垂直堆叠十层氧化铟 (In 2 O 3 ) 薄膜晶体管 (TFT) 。这种垂直设计最大限度地利用了晶圆空间，与平面设计相比，晶体管密度更高。
“晶体管采用多层结构排列，每层功能独立，但共同作用，共同提高整体性能，”李说。“我们选择氧化铟 (In 2 O 3 ) 作为半导体材料，因为它具有出色的电气性能，并且与室温加工兼容。对于介电层，我们选择了聚对二甲苯-C，它可以在室温下沉积，并提供有效的绝缘。”
为了制造晶体管，研究人员首先在硅/二氧化硅晶片上沉积了一层薄薄的 In 2 O 3层。该沉积层形成了电流流过的通道。
“在 In2O3层之后，我们沉积了一层聚对二甲苯-C层，”Li 说道，“这种材料充当电介质，隔离每个晶体管层并防止层间电气干扰。”
该团队的晶体管中的每一层都采用先进的 72 步光刻工艺进行图案化。该工艺比用于在较简单的电子结构中图案化层的典型 10 步工艺复杂得多。
“每个步骤都需要精确的对准和剂量优化，以确保每一层的完整性和性能，”李解释说。
研究人员将沉积和图案化步骤重复了数次，直到堆叠了十层晶体管。每一层都与其他层仔细对齐，以确保设备正常运行以及它们之间的连接。
该研究团队引入的新型垂直设计能够在给定面积内实现更高的晶体管密度。研究发现，这可以转化为更高的处理能力和效率。
“In 2 O 3和聚对二甲苯-C 层均在室温下加工，使制造工艺更加节能，并与现有的半导体制造技术兼容，”Li 表示。“我们的晶体管的电气特性，包括 15 cm 2 /V -1 s -1的最大场效应迁移率、0.4 V/dec -1的亚阈值斜率以及高达 10 8的电流开/关比，都超过了许多现有的薄膜晶体管。这可实现更快的开关速度、更低的功耗和更好的整体性能。”
这篇最新论文中介绍的创新晶体管设计迄今为止用于开发具有十个垂直层的高性能高密度晶体管，但随着时间的推移，其密度可以进一步提高。因此，该团队的努力可能有助于进一步增强电子产品的性能。
“值得注意的是，In 2 O 3半导体和聚对二甲苯-C 介电材料均可在室温下加工，”Li 说道。“这是一个关键的进步，因为它使制造工艺更加节能，并与现有的半导体制造技术兼容。”
在初步测试中，李教授及其同事开发的晶体管实现了卓越的电子性能，包括最大场效应迁移率为 15 cm 2 /V -1 s -1、亚阈值斜率为 0.4 V/dec -1、电流开/关比高达 10 8。这些指标优于许多现有的薄膜晶体管，同时还实现了更快的开关速度和更低的功耗。
李表示：“我们的技术可以极大地造福移动设备行业，因为它可以推动开发性能更高、电池寿命更长的下一代智能手机、平板电脑和可穿戴设备。物联网生态系统还需要能够实时处理数据的紧凑、节能的设备。我们的晶体管性能高、功耗低，非常适合从智能家居到工业自动化等各种物联网应用。”
该团队晶体管的另一个应用领域可能是人工智能 (AI) 和机器学习 (ML)。训练和部署这些计算工具需要强大的计算能力和高效的数据处理能力，而研究人员的晶体管可以满足这些需求。
“除了移动设备，我们的技术还可以增强各种消费电子产品，包括智能家居设备、游戏机和增强现实/虚拟现实 (AR/VR) 系统，”李说。“提高性能和能效可以带来更灵敏、更身临其境的用户体验。我们的 10 叠层晶体管还可以促进汽车电子产品的发展，提供必要的计算能力和可靠性。”
未来，垂直堆叠晶体管还可用于开发更先进、更紧凑的医疗设备，如诊断工具、生物传感器、植入式技术和可穿戴健康监测器。与此同时，李和他的同事计划探索其他策略，在不影响晶体管性能的情况下进一步缩小晶体管尺寸。
“我们未来研究的主要目标之一是将晶体管从目前的微米级缩小到纳米级，”李补充道。“实现这一目标将进一步提高晶体管密度，从而实现更高的性能和更紧凑的设备设计。我们还在探索新技术和设备拓扑，以进一步降低功耗，同时努力提高晶体管的可靠性和稳定性，因为这可以促进晶体管的部署。”
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