混合維度晶體管 助創製出高性能的多功能電子器件

晶體管及晶片等電子器件的微型化已逼近技術的極限，為新一代半導體的製造及發展帶來挑戰。由香港城市大學（香港城大）材料科學家領導的研究團隊最近研發了一種嶄新策略，利用由不同維度的納米線和納米薄片製成的晶體管，開發出具卓越性能的多用途電子器件。這項技術突破為簡化晶片電路設計打開新道路，有助新一代電子產品實現更高性能和更低功耗。

過去數十年來，晶體管和集成電路的尺寸不斷縮小以提升效能，但隨著電路微型化已逐漸到達物理和經濟極限，如何以可控且具有成本效益的方式製造半導體器件，愈來愈具挑戰。尤其是晶體管尺寸的持續縮小，會增加「漏電流」的問題，從而加劇功率損耗，複雜的佈線網路也會對功耗產生不利的影響。

故此，新一代的多值邏輯（multivalued logic，MVL）電路成為克服功耗不斷增加的新興技術。它透過大幅減少晶體管內互連線的數量，突破傳統二值邏輯系統的限制，從而達致更高的資訊密度和更低的功耗。故科研界近年孜孜不倦研發不同的多值邏輯器件，包括反雙極晶體管（anti-ambipolar transistors，AAT）。

反雙極器件是晶體管的其中一種，無論是正電荷（空穴/電洞）還是負電荷（電子）的電荷載子，都可以在半導體通道內同時傳輸。然而，現時基於AAT的器件主要採用2D（超薄片）或有機材料，但這對於大規模的半導體器件整合來說，並不夠穩定。它們的頻率特性和能源效率也很少被探討。

為了解決上述限制，由香港城大協理副校長（企業）、材料科學及工程學系副系主任何頌賢教授率領的科研團隊，早前著手開發具有更高資訊密度和更少互連的反雙極晶體管器件電路，並探索其頻率特性。

團隊採用了先進的化學氣相沉積技術，創製出一種嶄新的混合維度異質晶體管，結合了高質的GaAsSb納米線和 MoS₂納米薄片兩者的獨特特性。

新研製的反雙極晶體管具卓越性能，因為混合維度GaAsSb與MoS2的接合面具有強勁的界面耦合和能帶結構排列特性，使到這異質晶體管具顯著的反雙極轉移和跨導翻轉（flipping of transconductance）特性。

跨導翻轉令輸入的模擬（類比）電路訊號發生頻率翻倍增，因此相對於傳統的基於互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的倍頻電路，所需的晶體管數量可以大幅減少。

「我們研製的混合維度反雙極晶體管，能夠同時充當多值邏輯電路和倍頻器，這在反雙極晶體管的應用領域裡，是歷來首創的。」何教授說。

多值邏輯電路的優點，在於簡化了複雜的佈線網絡，從而降低晶片功耗。由於器件的尺寸縮小，加上異質結區域縮減，使到器件運算更快、節能效果更好，藉此實現高效能的數位和模擬（類比）電路。

何教授說：「我們的研究顯示，混合維度反雙極器件能夠有助實現具高資訊儲存密度和資訊處理能力的晶片電路設計。現時大多數半導體產業的研究人員都把注意力集中在器件微型化之上，以求延續摩爾定律。但嶄新反雙極器件的出現，顯示出它相對於現有以二值邏輯為基礎的傳統技術，擁有相對優勢。故今次研究中開發的新技術，將為發展下一代多功能集成電路和電訊技術，邁出一大步。」

這次研究並且開拓出新的可能性，料有助進一步簡化複雜的集成電路設計從而提高其性能。

此外，由於混合維度反雙極器件的跨導翻轉特性，這意味在數位和類比訊號處理的領域具有多功能應用的潛力，包括三值邏輯反相器（ternary logic inverters）、先進的光電器件和倍頻電路。何教授補充說：「新研發的器件結構，預示著未來多功能電子產品技術革命的潛力。」

相關研究成果已於科學期刊《Device》上發表，題為〈Multifunctional anti-ambipolar electronics enabled by mixed-dimensional 1D GaAsSb/2D MoS₂ heterotransistors〉。

研究的第一作者為香港城大材料科學及工程學系博士畢業生王巍博士，通訊作者為何教授。合作者包括由何教授指導的香港城大博士畢業生、現於日本九州大學任職的葉晨寶博士。

上述研究工作得到了香港研究資助局和深圳市科技創新委員會的資助。