混合维度晶体管 助创制出高性能的多功能电子器件

晶体管及晶片等电子器件的微型化已逼近技术的极限，为新一代半导体的制造及发展带来挑战。由香港城市大学（香港城大）材料科学家领导的研究团队最近研发了一种崭新策略，利用由不同维度的纳米线和纳米薄片制成的晶体管，开发出具卓越性能的多用途电子器件。这项技术突破为简化晶片电路设计打开新道路，有助新一代电子产品实现更高性能和更低功耗。

过去数十年来，晶体管和集成电路的尺寸不断缩小以提升效能，但随着电路微型化已逐渐到达物理和经济极限，如何以可控且具有成本效益的方式制造半导体器件，愈来愈具挑战。尤其是晶体管尺寸的持续缩小，会增加“漏电流”的问题，从而加剧功率损耗，复杂的布线网路也会对功耗产生不利的影响。

故此，新一代的多值逻辑（multivalued logic，MVL）电路成为克服功耗不断增加的新兴技术。它透过大幅减少晶体管内互连线的数量，突破传统二值逻辑系统的限制，从而达致更高的资讯密度和更低的功耗。故科研界近年孜孜不倦研发不同的多值逻辑器件，包括反双极晶体管（anti-ambipolar transistors，AAT）。

反双极器件是晶体管的其中一种，无论是正电荷（空穴/电洞）还是负电荷（电子）的电荷载子，都可以在半导体通道内同时传输。然而，现时基于AAT的器件主要采用2D（超薄片）或有机材料，但这对于大规模的半导体器件整合来说，并不够稳定。它们的频率特性和能源效率也很少被探讨。

为了解决上述限制，由香港城大协理副校长（企业）、材料科学及工程学系副系主任何颂贤教授率领的科研团队，早前着手开发具有更高资讯密度和更少互连的反双极晶体管器件电路，并探索其频率特性。

团队采用了先进的化学气相沉积技术，创制出一种崭新的混合维度异质晶体管，结合了高质的GaAsSb纳米线和 MoS₂纳米薄片两者的独特特性。

新研制的反双极晶体管具卓越性能，因为混合维度GaAsSb与MoS2的接合面具有强劲的界面耦合和能带结构排列特性，使到这异质晶体管具显著的反双极转移和跨导翻转（flipping of transconductance）特性。

跨导翻转令输入的模拟（类比）电路讯号发生频率翻倍，因此相对于传统的基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的倍频电路，所需的晶体管数量可以大幅减少。

“我们研制的混合维度反双极晶体管，能够同时充当多值逻辑电路和倍频器，这在反双极晶体管的应用领域里，是历来首创的。”何教授说。

多值逻辑电路的优点，在于简化了复杂的布线网络，从而降低晶片功耗。由于器件的尺寸缩小，加上异质结区域缩减，使到器件运算更快、节能效果更好，借此实现高效能的数位和模拟（类比）电路。

何教授说：“我们的研究显示，混合维度反双极器件能够有助实现具高资讯储存密度和资讯处理能力的晶片电路设计。现时大多数半导体产业的研究人员都把注意力集中在器件微型化之上，以求延续摩尔定律。但崭新反双极器件的出现，显示出它相对于现有以二值逻辑为基础的传统技术，拥有相对优势。故今次研究中开发的新技术，将为发展下一代多功能集成电路和电讯技术，迈出一大步。”

这次研究并且开拓出新的可能性，料有助进一步简化复杂的集成电路设计从而提高其性能。

此外，由于混合维度反双极器件的跨导翻转特性，这意味在数位和类比讯号处理的领域具有多功能应用的潜力，包括三值逻辑反相器（ternary logic inverters）、先进的光电器件和倍频电路。何教授补充说：“新研发的器件结构，预示着未来多功能电子产品技术革命的潜力。”

相关研究成果已于科学期刊《Device》上发表，题为〈Multifunctional anti-ambipolar electronics enabled by mixed-dimensional 1D GaAsSb/2D MoS₂ heterotransistors〉。

研究的第一作者为香港城大材料科学及工程学系博士毕业生王巍博士，通讯作者为何教授。合作者包括由何教授指导的香港城大博士毕业生、现于日本九州大学任职的叶晨宝博士。

上述研究工作得到了香港研究资助局和深圳市科技创新委员会的资助。