晶體管及晶片等電子器件的微型化已逼近技術(shù)的極限，為新一代半導(dǎo)體的制造及發(fā)展帶來挑戰(zhàn)。由香港城市大學(xué)（香港城大）材料科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)最近研發(fā)了一種嶄新策略，利用由不同維度的納米線和納米薄片制成的晶體管，開發(fā)出具卓越性能的多用途電子器件。這項(xiàng)技術(shù)突破為簡(jiǎn)化晶片電路設(shè)計(jì)打開新道路，有助新一代電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)更高性能和更低功耗。

過去數(shù)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(dá)物理和經(jīng)濟(jì)極限，如何以可控且具有成本效益的方式制造半導(dǎo)體器件，愈來愈具挑戰(zhàn)。尤其是晶體管尺寸的持續(xù)縮小，會(huì)增加“漏電流”的問題，從而加劇功率損耗，復(fù)雜的布線網(wǎng)路也會(huì)對(duì)功耗產(chǎn)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(shù)。它透過大幅減少晶體管內(nèi)互連線的數(shù)量，突破傳統(tǒng)二值邏輯系統(tǒng)的限制，從而達(dá)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(fā)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(fù)電荷（電子）的電荷載子，都可以在半導(dǎo)體通道內(nèi)同時(shí)傳輸。然而，現(xiàn)時(shí)基于AAT的器件主要采用2D（超薄片）或有機(jī)材料，但這對(duì)于大規(guī)模的半導(dǎo)體器件整合來說，并不夠穩(wěn)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(xié)理副校長(zhǎng)（企業(yè)）、材料科學(xué)及工程學(xué)系副系主任何頌賢教授率領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，早前著手開發(fā)具有更高資訊密度和更少互連的反雙極晶體管器件電路，并探索其頻率特性。

團(tuán)隊(duì)采用了先進(jìn)的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，創(chuàng)制出一種嶄新的混合維度異質(zhì)晶體管，結(jié)合了高質(zhì)的GaAsSb納米線和 MoS₂納米薄片兩者的獨(dú)特特性。

新研制的反雙極晶體管具卓越性能，因?yàn)榛旌暇S度GaAsSb與MoS2的接合面具有強(qiáng)勁的界面耦合和能帶結(jié)構(gòu)排列特性，使到這異質(zhì)晶體管具顯著的反雙極轉(zhuǎn)移和跨導(dǎo)翻轉(zhuǎn)（flipping of transconductance）特性。

跨導(dǎo)翻轉(zhuǎn)令輸入的模擬（類比）電路訊號(hào)發(fā)生頻率翻倍，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)的倍頻電路，所需的晶體管數(shù)量可以大幅減少。

“我們研制的混合維度反雙極晶體管，能夠同時(shí)充當(dāng)多值邏輯電路和倍頻器，這在反雙極晶體管的應(yīng)用領(lǐng)域里，是歷來首創(chuàng)的。”何教授說。

多值邏輯電路的優(yōu)點(diǎn)，在于簡(jiǎn)化了復(fù)雜的布線網(wǎng)絡(luò)，從而降低晶片功耗。由于器件的尺寸縮小，加上異質(zhì)結(jié)區(qū)域縮減，使到器件運(yùn)算更快、節(jié)能效果更好，借此實(shí)現(xiàn)高效能的數(shù)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(shí)現(xiàn)具高資訊儲(chǔ)存密度和資訊處理能力的晶片電路設(shè)計(jì)。現(xiàn)時(shí)大多數(shù)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的研究人員都把注意力集中在器件微型化之上，以求延續(xù)摩爾定律。但嶄新反雙極器件的出現(xiàn)，顯示出它相對(duì)于現(xiàn)有以二值邏輯為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)技術(shù)，擁有相對(duì)優(yōu)勢(shì)。故今次研究中開發(fā)的新技術(shù)，將為發(fā)展下一代多功能集成電路和電訊技術(shù)，邁出一大步。”

這次研究并且開拓出新的可能性，料有助進(jìn)一步簡(jiǎn)化復(fù)雜的集成電路設(shè)計(jì)從而提高其性能。

此外，由于混合維度反雙極器件的跨導(dǎo)翻轉(zhuǎn)特性，這意味在數(shù)位和類比訊號(hào)處理的領(lǐng)域具有多功能應(yīng)用的潛力，包括三值邏輯反相器（ternary logic inverters）、先進(jìn)的光電器件和倍頻電路。何教授補(bǔ)充說：“新研發(fā)的器件結(jié)構(gòu)，預(yù)示著未來多功能電子產(chǎn)品技術(shù)革命的潛力。”

相關(guān)研究成果已于科學(xué)期刊《Device》上發(fā)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(xué)及工程學(xué)系博士畢業(yè)生王巍博士，通訊作者為何教授。合作者包括由何教授指導(dǎo)的香港城大博士畢業(yè)生、現(xiàn)于日本九州大學(xué)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(chuàng)新委員會(huì)的資助。