科学家制造出一种可能彻底取代硅的晶体管

如今，由东京大学工业科学研究所领导的研究团队正在寻求解决方案。正如其即将在2025年超大规模集成电路技术与电路研讨会上发表的新论文所述，该团队摒弃了硅材料，转而选择制造一种由掺镓氧化铟（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。

“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裹着电流流经的沟道，”该研究的第一作者陈安澜（Anlan Chen）解释道。“通过将栅极完全包裹沟道，相比传统栅极结构，我们能够提升效率与可扩展性。”

基于这些目标，团队展开了工作。研究人员深知需要通过掺入镓元素向氧化铟中引入杂质，这将使材料以更优化的方式响应电信号。

“氧化铟中存在氧空位缺陷，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（Masaharu Kobayashi）表示。“我们在氧化铟中掺杂镓元素以抑制氧空位，进而提升晶体管可靠性。”

团队采用原子层沉积技术，逐层在环绕栅晶体管的沟道区域沉积InGaOx薄膜。沉积完成后，通过加热使薄膜转变为电子迁移所需的晶体结构。该工艺最终实现了全环绕栅极“金属氧化物半导体场效应晶体管”（MOSFET）的制造。

“我们的全环绕栅极MOSFET包含掺镓氧化铟层，实现了44.5 cm²/Vs的高迁移率，”陈博士阐述道。“关键在于，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性能超越了以往报道的同类器件。”

该团队的努力为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。这项研究推动了适用于大数据和人工智能等高计算需求应用的可靠、高密度电子元件的开发进程。这些微型晶体管有望保障下一代技术的流畅运行，深刻改变我们的日常生活。

文章《通过选择性结晶InGaO_x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》发表于2025年超大规模集成电路技术与电路研讨会。