人們普遍認(rèn)為，隨著物理極限的逼近，摩爾定律，即集成電路上可容納的硅晶體管的數(shù)目每?jī)赡瓯銜?huì)增加一倍，將在 2025 年左右失效。但澳大利亞墨爾本皇家理工大學(xué)（RMIT University）的研究人員認(rèn)為，他們開(kāi)發(fā)的金屬基場(chǎng)發(fā)射空氣通道晶體管（ACT）可以在二十年內(nèi)保持摩爾定律。

ACT 器件無(wú)需半導(dǎo)體。相反，它使用兩個(gè)面內(nèi)對(duì)稱的金屬電極（源極和漏極）隔開(kāi)小于 35 納米的氣隙，底部用金屬柵極調(diào)節(jié)發(fā)射場(chǎng)。納米級(jí)氣隙寬度小于空氣中電子的平均自由路徑，因此電子可以在室溫下穿過(guò)空氣而不會(huì)散射。

“與傳統(tǒng)的必須采用硅作為基底的晶體管不同，我們的器件采用了一種自底向上的制造方法。如果能夠確定最佳的氣隙，我們就能夠建立完整的 3D 晶體管網(wǎng)絡(luò)。”12 月在 Nano Letters 上發(fā)表的關(guān)于新晶體管的論文的第一作者 Shruti Nirantar 說(shuō)。“這意味著我們可以不再追求小型化，而是專注于研究緊湊的 3D 架構(gòu)，這使每單位體積上能有更多的晶體管。”

用金屬和空氣來(lái)代替半導(dǎo)體作為晶體管的主要元件有許多優(yōu)點(diǎn)，RMIT 功能材料和微系統(tǒng)研究組的候選人 Nirantar 博士說(shuō)。它使得制造晶體管基本成為鋪設(shè)發(fā)射器和收集器并限定氣隙的單步過(guò)程。盡管 ACT 生產(chǎn)工藝采用標(biāo)準(zhǔn)的硅制造工藝，但由于不需要摻雜、熱處理、氧化和形成硅化物等一系列步驟，生產(chǎn)成本被大幅削減。

此外，用金屬代替硅意味著這些 ACT 器件可以在任何電介質(zhì)表面上制造，只要下面的襯底能利用底部金屬柵，高效調(diào)制從源極到漏極的發(fā)射電流。

“ACT 器件可以建在超薄玻璃、塑料和彈性體上，”Niranta 說(shuō)。“因此，它們可以應(yīng)用于可穿戴設(shè)備。”

更換空間電路中的固態(tài)溝道晶體管是另一個(gè)潛在應(yīng)用。因?yàn)殡娮釉陔姌O之間流動(dòng)，就像在真空中流動(dòng)一樣，輻射不會(huì)影響通道特性，這樣 ACT 設(shè)備就可以適用于極端輻射和太空環(huán)境。

現(xiàn)在研究人員已經(jīng)有了理論證明，下一步是通過(guò)測(cè)試不同的源極和漏極配置以及使用更耐受的材料來(lái)增強(qiáng)元件穩(wěn)定性和提高效率。在制造 ACT 原型時(shí)，研究人員使用電子束光刻和薄膜沉積，而鎢、金和鉑為首選金屬。

“我們還需要優(yōu)化工作電壓，因?yàn)殡姌O金屬尖端會(huì)使電場(chǎng)集中而導(dǎo)致局部熔化，”Niranta 表示。“這降低了它們的清晰度和發(fā)射效率。因此，我們正在研究能夠提高集電極效率而減少發(fā)射極壓力的方法。”她相信這可以在未來(lái)兩年內(nèi)完成。

展望未來(lái)，Niranta 指出，ACT 的理論速度在太赫茲范圍內(nèi)，大約是目前半導(dǎo)體器件工作速度的 1 萬(wàn)倍。“因此需要進(jìn)一步研究來(lái)證明其操作極限，”她補(bǔ)充道。

至于商業(yè)化，Niranta 表示，從工業(yè)領(lǐng)域獲得工業(yè)制造設(shè)備及相關(guān)支持，對(duì)于拓展 3D 晶體管網(wǎng)絡(luò)是很有必要的。“有了這些支持和足夠的研究經(jīng)費(fèi)，商用級(jí)金屬基場(chǎng)發(fā)射空氣通道晶體管有可能在十年內(nèi)開(kāi)發(fā)出來(lái)，這是一個(gè)大致時(shí)間。找到合適的合作對(duì)象會(huì)使這一切更快發(fā)生。

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