硅晶体管的缩小已经达到了物理极限，但东京大学的一个团队正在重新定义规则。他们使用掺锗的氧化铟创造了一种尖端晶体管，采用新颖的“全围门”结构。通过精确工程设计材料的原子结构，这种新装置实现了显著的电子迁移率和稳定性。这一突破可能促进更快、更可靠的电子设备，为未来的技术，从人工智能到大数据系统提供动力。
日本研究人员展示了一种由掺锗的氧化铟制成的晶体管，具有颠覆性的全围门设计。与传统的硅模型相比，它更稳定、更高效，有可能在先进计算中解锁新的性能水平。图片来源：Shutterstock
作为20世纪最伟大的发明之一，晶体管是现代电子设备中不可或缺的组成部分，能够放大或切换电信号。随着电子设备越来越小，继续缩小基于硅的晶体管变得愈加困难。我们的电子技术的发展是否已经面临瓶颈？
现在，由东京大学产业科学研究所领导的研究团队正在寻找解决方案。根据他们即将在2025年发布的论文，为VLSI技术与电路研讨会，团队抛弃了硅，而是选择制造一种由掺锗的氧化铟(InGaOx)制成的晶体管。这种材料可以构造成结晶氧化物，其有序的晶格非常适合电子迁移。
“我们还希望我们的结晶氧化物晶体管具有‘全围门’结构，即门围绕着电流流动的通道，控制电流的开启和关闭，”研究首席作者陈安岚解释道。“通过将门完全包裹在通道周围，我们可以提高效率和可扩展性，与传统门相比。”
考虑到这些目标，团队开始工作。研究人员知道，他们需要通过用锗进行“掺杂”来引入杂质到氧化铟中。这将使材料以更有利的方式与电流反应。
“氧化铟含有氧空位缺陷，这会促进载流子的散射，从而降低器件的稳定性，”资深作者小林正治表示。“我们用锗掺杂氧化铟，以抑制氧空位，从而提高晶体管的可靠性。”
团队使用原子层沉积技术，将一层一层地用薄膜的InGaOx涂覆“全围门”晶体管的通道区域。沉积后，薄膜被加热以转化为所需的晶体结构，以提高电子迁移率。这一过程最终使“金属氧化物基场效应晶体管”（MOSFET）的制造成为可能。
“我们的全围门MOSFET，包含一个掺锗的氧化铟层，达到高达44.5 cm²/Vs的高迁移率，”陈博士解释道。“关键是，器件在施加应力下稳定运行将近三个小时，展示了良好的可靠性。事实上，我们的MOSFET的表现超过了之前报告的类似装置。”
该团队的努力为该领域提供了一种新的晶体管设计，考虑了材料和结构的重要性。该研究向开发适合高计算需求应用（例如大数据和人工智能）的可靠、高密度电子元件迈出了一步。这些微小的晶体管有望帮助下一代技术平稳运行，对我们的日常生活产生重大影响。
文章《一种由选择性结晶InGaOx制成的全围门纳米薄膜氧化物半导体晶体管，用于性能和可靠性增强》将在2025年VLSI技术与电路研讨会上发布。
