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澳大利亚墨尔本皇家理工大学开发可取代半导体的新型金属-空气晶体管,具备抗辐射能力

普遍预测,随着技术达到其物理极限,每两年单位面积内硅晶体管数量倍增将在2025年左右结束。澳大利亚墨尔本皇家理工大学(RMIT University)研究人员开发出金属基场发射空气沟道晶体管(ACT),可以在二十年内保持晶体管的继续倍增,研究成果发表在Nano Letters。

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电子流过金属电极对中的纳米级带隙。只有最小的带隙才能实现无散射电子传输。来源RMIT大学


ACT结构

ACT器件无需半导体。它使用由小于35纳米的空气带隙隔开的两个平面内对称金属电极(源极和漏极),底部金属栅极调节场发射。纳米级空气带隙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。


制造工艺优势

Nirantar说,晶体管的主要部分使用金属和空气代替半导体具有许多其他优点。制造变得基本上是铺设发射级和集电级并限定空气带隙的单步过程。尽管采用标准硅制造工艺生产ACT,但由于不需要掺杂、热处理、氧化和硅化物成形,因此制造步骤的数量要少得多也因此可大幅削减生产成本。


此外,用金属代替硅意味着这些ACT器件可以制造在任何电介质表面上,条件是下面的衬底允许利用底栅场有效地调制从源极到漏极的发射电流。Nirantar说:“器件可以用超薄玻璃、塑料和柔性体制造。因此,他们可以用于灵活的可穿戴技术。”

 

微缩优势

RMIT功能材料和微系统研究组成员、论文第一作者Shruti Nirantar博士说:“与传统必须采用硅片的晶体管不同,我们的器件采用从底部开始的从底到顶的制造方法。如果能够确定最佳的空气带隙,就能够建立完整的三维晶体管网络,意味着可以停止追求小型化,而是专注于紧凑的3D架构,每单位体积容纳更多的晶体管。”

 

抗辐射优势

替换空间电路中的固态沟道晶体管是另一个潜在的应用。因为电子在电极之间流动,就像在空气中一样(真空管),辐射不会更改通道特性,使得ACT设备适用于极端辐射环境和空间。

 

下一步工作

现在研究人员已做了概念证明,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稳定性并提高器件效率。在制造原型ACT时,研究人员使用电子束光刻和薄膜淀积,钨、金和铂被评估为首选金属。

 

Nirantar指出:“我们还需要优化工作电压,因为电极金属尖端由于集中的电场而出现局部熔化,降低了尖锐度和发射效率。因此,我们正在研究能够提高集电级效率以减少发射级压力的设计。”相信这可以在未来两年内完成。

 

发展未来

展望未来,她指出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。她补充道:“因此需要进一步研究以找到并证明其性能上限。”


商业化前景

至于商业化,Nirantar表示,有必要获得工业制造设施和工业支持以扩展到晶体管的3D网络。“有了这样的帮助和足够的研究经费,未来十年内有可能开发商用级场发射空气通道晶体管。有了合适的合作伙伴,这可能会更快发生。“

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