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近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学李晓航教授和团队，开发出一款低温金属氧化物 3D 薄膜晶体管堆叠技术，能够在垂直方向上进行几乎无限制的堆叠。由于本次技术和业界技术能够互相兼容，因此在水平方向上也能兼容 12 英寸甚至更大的工艺。在这一技术的帮助之下，他们打造出一个 10 层的金属氧化物半导体薄膜晶体管，让晶体管的密度和效率实现了最大化，并能降低互联散热的问题。通过此，他们开发出一种低温金属氧化物 3D 薄膜晶体管堆叠技术，为电子技术的发展奠定了一定基础。随着移动设备愈发变得复杂，其对于高性能和高能效组件的需求也在日益增加。而本次技术能够推动智能手机、平板电脑和可穿戴设备的发展，提供更强的处理能力、更长的电池寿命和更紧凑的设计。并能支持在移动平台上实现增强现实、虚拟现实和人工智能等应用。物联网生态系统依赖于大量连接设备，而这些连接设备需要具备紧凑、节能、能实时数据处理等特点。而本次技术能让物联网设备以较低的功耗、更高的可靠性进行运行，从而能够促进物联网解决方案实现更有效、更广泛的部署，进而用于智能家居、工业自动化、医疗保健和环境监测等领域。对于人工智能应用和机器学习应用来说，它们对于计算能力和数据处理能力有着较高要求。而本次技术可以提供更快的处理速度、以及更低的能耗，从而有助于训练和部署复杂的模型，进而能让自动驾驶、自然语言处理、预测分析应用变得更智能和更快速。对于当今的新能源汽车来说，它们集成了自动驾驶系统和信息娱乐系统，而本次技术可以为这些系统提供必要的计算能力。在医疗领域，要想打造便携式诊断工具、可穿戴健康监测器、以及可植入设备，就必须使用高效、紧凑的设备。而本次技术能够帮助提高这些医疗设备的性能，并能缩小其体积，从而拓展其有效性和应用范围。据介绍，过去几十年尽管晶体管在水平方向上不断缩小，但也慢慢达到其物理极限和性能极限，这极大减缓了摩尔定律的延续，同时导致了制造成本的急剧提高。如果不能在水平方向上快速增加晶体管的密度，那么垂直方向的堆叠方法，就会成为最有希望增加晶体管密度的方法。一些半导体公司比如台积电和英特尔、以及相关研究机构比如比利时微电子研究中心都在从事该类研究。而该课题组则希望开发一种能和业界技术兼容的新型堆叠技术，以便大幅地增加晶体管密度，从而让摩尔定律得到高速发展。但是，要想实现上述目标，依旧面临一些待解决的问题：其一，处理能力有限。即平面晶体管限制了每个单位面积的晶体管数量，进而限制了设备的性能。其二，高能较耗。即平面晶体管由于互联距离较长，消耗了大量能源。其三，存在散热问题。即平面晶体管的互联会产生大量的热量，因此需要通过有效的热管理来保持性能。首先，得增加晶体管密度。即利用垂直堆叠的方式，在给定区域之内集成更多的晶体管；其次，得提高能效。即开发一种低功耗、高性能的晶体管；再次，得改善热管理。即通过材料选择和结构设计，产生最小的热量，从而改善散热问题。基于此，在本次研究的材料选择上，该团队挑选了那些拥有优异电学特性、以及能够兼容低温工艺的材料，并针对材料的界面粗糙度和缺陷密度加以控制。具体来说，课题组使用氧化铟（In2O3）作为半导体材料，原因在于其拥有优异的电学特性和室温工艺性。为了进一步优化设计方案，该团队选择聚对二甲苯-C 来作为低介电常数和室温沉积能力的介电材料，以便能够成功地开发出低温晶体管堆叠技术。为了造出这种 10 层晶体管，课题组开发出一种兼容 CMOS 工艺的、无键合的 3D 垂直集成工艺，并优化了材料沉积和器件结构，亦通过相关实验验证了晶体管的性能。图 | 相关论文（来源：Nature Electronics）萨拉瓦南·尤瓦拉贾（Saravanan Yuvaraja）是第一作者，李晓航担任通讯作者。参考资料：
1.Yuvaraja, S., Faber, H., Kumar, M.et al. Three-dimensional integrated metal-oxide transistors. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01205-0
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