人們普遍認為，隨著物理極限的逼近，摩爾定律，即集成電路上可容納的硅晶體管的數(shù)目每兩年便會增加一倍，將在 2025 年左右失效。但澳大利亞墨爾本皇家理工大學（RMIT University）的研究人員認為，他們開發(fā)的金屬基場發(fā)射空氣通道晶體管（ACT）可以在二十年內(nèi)保持摩爾定律。

ACT 器件無需半導體。相反，它使用兩個面內(nèi)對稱的金屬電極（源極和漏極）隔開小于 35 納米的氣隙，底部用金屬柵極調(diào)節(jié)發(fā)射場。納米級氣隙寬度小于空氣中電子的平均自由路徑，因此電子可以在室溫下穿過空氣而不會散射。

“與傳統(tǒng)的必須采用硅作為基底的晶體管不同，我們的器件采用了一種自底向上的制造方法。如果能夠確定最佳的氣隙，我們就能夠建立完整的 3D 晶體管網(wǎng)絡(luò)。”12 月在 Nano Letters 上發(fā)表的關(guān)于新晶體管的論文的第一作者 Shruti Nirantar 說?！斑@意味著我們可以不再追求小型化，而是專注于研究緊湊的 3D 架構(gòu)，這使每單位體積上能有更多的晶體管?！?/p>

用金屬和空氣來代替半導體作為晶體管的主要元件有許多優(yōu)點，RMIT 功能材料和微系統(tǒng)研究組的候選人 Nirantar 博士說。它使得制造晶體管基本成為鋪設(shè)發(fā)射器和收集器并限定氣隙的單步過程。盡管 ACT 生產(chǎn)工藝采用標準的硅制造工藝，但由于不需要摻雜、熱處理、氧化和形成硅化物等一系列步驟，生產(chǎn)成本被大幅削減。

此外，用金屬代替硅意味著這些 ACT 器件可以在任何電介質(zhì)表面上制造，只要下面的襯底能利用底部金屬柵，高效調(diào)制從源極到漏極的發(fā)射電流。

“ACT 器件可以建在超薄玻璃、塑料和彈性體上，”Niranta 說。“因此，它們可以應(yīng)用于可穿戴設(shè)備?！?/p>

更換空間電路中的固態(tài)溝道晶體管是另一個潛在應(yīng)用。因為電子在電極之間流動，就像在真空中流動一樣，輻射不會影響通道特性，這樣 ACT 設(shè)備就可以適用于極端輻射和太空環(huán)境。

現(xiàn)在研究人員已經(jīng)有了理論證明，下一步是通過測試不同的源極和漏極配置以及使用更耐受的材料來增強元件穩(wěn)定性和提高效率。在制造 ACT 原型時，研究人員使用電子束光刻和薄膜沉積，而鎢、金和鉑為首選金屬。

“我們還需要優(yōu)化工作電壓，因為電極金屬尖端會使電場集中而導致局部熔化，”Niranta 表示?！斑@降低了它們的清晰度和發(fā)射效率。因此，我們正在研究能夠提高集電極效率而減少發(fā)射極壓力的方法?！彼嘈胚@可以在未來兩年內(nèi)完成。

展望未來，Niranta 指出，ACT 的理論速度在太赫茲范圍內(nèi)，大約是目前半導體器件工作速度的 1 萬倍?！耙虼诵枰M一步研究來證明其操作極限，”她補充道。

至于商業(yè)化，Niranta 表示，從工業(yè)領(lǐng)域獲得工業(yè)制造設(shè)備及相關(guān)支持，對于拓展 3D 晶體管網(wǎng)絡(luò)是很有必要的?！坝辛诉@些支持和足夠的研究經(jīng)費，商用級金屬基場發(fā)射空氣通道晶體管有可能在十年內(nèi)開發(fā)出來，這是一個大致時間。找到合適的合作對象會使這一切更快發(fā)生。