科学家研制出一种可能超越硅基晶体管的晶体管

如今，由东京大学工业科学研究所领导的研究团队寻求到了一种解决方案。正如他们将在2025年超大规模集成电路技术与电路研讨会（VLSI Technology and Circuits）上发表的新论文所详述，该团队摒弃了硅材料，转而选择制造一种由镓掺杂氧化铟（InGaOx）制成的晶体管。这种材料可形成结晶氧化物结构，其有序的晶格非常有利于电子迁移率的提升。

“我们还希望我们的结晶氧化物晶体管具有‘全环绕栅极’结构，即控制电流开关的栅极完全包围着电流流经的沟道，”该研究的第一作者陈安澜解释道，“通过将栅极完全包裹住沟道，与传统的栅极结构相比，我们能提高效率并增强器件的可扩展性。”

带着这些目标，团队开始了工作。研究人员知道他们需要通过用镓“掺杂”的方式在氧化铟中引入杂质。这将使材料以更理想的方式响应电学特性。

“氧化铟含有氧空位缺陷，这会加剧载流子散射，从而降低器件稳定性，”资深作者小林正治表示，“我们用镓掺杂氧化铟以抑制氧空位，进而提升晶体管的可靠性。”

该团队采用原子层沉积技术，每次一个原子层地在全环绕栅极晶体管的沟道区域沉积一层InGaOx薄膜。沉积后，薄膜经过热处理转变为电子迁移所需的晶体结构。这一工艺最终实现了基于金属氧化物的全环绕栅极‘场效应晶体管’（MOSFET）的制造。

“我们采用含镓掺杂氧化铟层的全环绕栅极MOSFET，实现了高达44.5 cm²/Vs的迁移率，”陈博士解释道，“至关重要的是，该器件在施加应力下稳定运行近三小时，展现出优异的可靠性。事实上，我们的MOSFET性能优于先前报道的同类器件。”

研究团队的努力为该领域提供了一种兼顾材料与结构重要性的新型晶体管设计。这项研究朝着开发适用于大数据和人工智能等高计算需求应用的可靠、高密度电子元件迈出了一步。这些微型晶体管有望助力下一代技术顺畅运行，为我们的日常生活带来重大变革。

题为“基于InGaO_x选择性结晶实现性能与可靠性提升的全环绕栅极纳米片氧化物半导体晶体管”的论文发表于2025年超大规模集成电路技术与电路研讨会。