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2018-12-01澳學者以金屬製作電晶體 可提高產能並降低生產成本
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【本刊訊】根據莫爾定律（Moore's law），積體電路上每單位面積可容納的矽電晶體（silicon transistors）約隔2年成長1倍；不過由於物理上的限制，此預測說法恐將撐不過2025年。日前，墨爾本皇家理工大學（Royal Melbourne Institute of Technology）研究團隊於《奈米通訊》（Nano Letters）期刊發布最新的開發概念──金屬基電子場致發射（field emission）氣道電晶體（air channel transistor, ACT），未來20年莫爾定律將可望被維持住。
ACT裝置免除了半導體的裝設，並以2片朝內的對稱金屬「源極（source）」與「汲極（drain）」取代；中間以氣溝（air gap）分離，底部金屬閘門則用以調整電場發射。其中，寬不過35奈米的氣溝設計小於電子的平均自由徑（mean-free path），使電子能在室溫下自由穿梭且不會發生散射（scatter）。研究第一作者尼藍塔（Shruti Nirantar）表示，與傳統需採用批次矽元件（silicon bulk）的電晶體不同，此裝置利用基材（substrate）「從腳到頭」製作，如此便能在理想的氣道下建立完整的3D電晶體網路；這意味著電路中的電晶體無須再追求微型化（miniaturization），反而要聚焦在緊密的3D結構上，盡可能讓單位體積內的電晶體數量最大化。
除了作為半導體的替代品，以金屬與氣道設計的裝置還有什麼好處？尼藍塔解釋，由於僅需設置射極（emitter）與集極（collector）並限定氣道空隙，且可免去摻雜（doping）、熱處理、氧化和形成矽化物等步驟，製程不但沒有傳統電晶體來的繁瑣，還可以大幅減少生產成本。另一個好處是，若基材可利用下閘極（bottom-gate）電場有效調節源極到集極的發射電流，便可在任何介電質（silicide formation，可被電極化的絕緣體）上製作ACT裝置，這意味著無論是在超薄玻璃、塑料還是彈性體上，ACT裝置皆可被靈活運用，對可穿戴技術的發展也有相當助益。此外，以ACT置換電路中的固態通道電晶體，可使電極間的電子流動與在空氣裡一樣，且輻射並不會改變通道的特性，讓這個裝置在具極端的輻射環境裡也相當適用。
當該構想被證明可行後，研究人員以不同的源∕汲極配置及材料進行測試，以強化裝置的穩定性，提升元件的效能。其後，研究員使用金與鉑，並利用電子束微影（electron-beam lithography）與薄膜沉積（thin-film deposition）技術打造ACT的原型。一切看起來相當順利，然而尼藍塔表示，電極金屬尖端因電場集中而被熔化，使得發射效率受到影響；目前仍在研究如何提升集極效能、減少射極壓力，預計可在2年後找到解決方法。
理論上，ACT擁有比目前半導體元件高1萬倍的工作速度，而尼藍塔也表示，若有製造的設施與經費支持，商業級的場致發射ACT將有可能於未來10年內問世。
新聞來源
Shruti Nirantar et al., Metal–Air Transistors: Semiconductor-Free Field-Emission Air-Channel Nanoelectronics, Nano Letters, 2018.