新晶体管技术：一颗干四颗的活

在智能手机能够手掌掌控不到二十年后的今天，人工智能已经可以在佩戴在我们手腕上的设备上运行。挑战在于，虽然设备在继续缩小，但它们必须处理的数据量和必须履行的功能数量却在呈指数级增长。浦项科技大学（POSTECH）的一个研究团队找到了一种有望解决这一矛盾的方法。

由POSTECH电子工程系和半导体工程系李炳勋（Byoung Hun Lee）教授领导的团队，与电子工程系的全在贤（Jae Hyeon Jun）博士一起，开发出了一种晶体管技术，该技术使单个半导体器件能够同时执行多种电路功能。与传统方法相比，这种新方法显著简化了电路设计，并将数据处理速度提高了四倍。这些发现发表在材料科学和电子器件领域的国际期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

ZnO–Te异质结器件的结构和双NDT、D-NDT特性，通过控制几何重叠长度，在单个器件中产生双电流峰。

半导体行业的核心挑战之一是将更多功能集成到更小的芯片中。随着功能数量的增加，所需的电路和晶体管数量也随之增加。然而，在向先前制造的半导体芯片添加新功能时，后端制程（BEOL）的加工必须在低于400°C的温度下进行，以保护现有的芯片结构。

研究团队将目光投向了氧化锌（ZnO）和碲（Te）。这两种材料都可以在低于200°C的温度下制备成均匀的薄膜，这使它们成为下一代半导体材料的有力候选者。通过将这两者结合，该团队创建了一个氧化锌-碲（ZnO-Te）异质结晶体管。

该器件以一种非常独特的方式控制电流流动。传统半导体的电流通常随着电压的升高而增加，与之不同，该器件表现出负微分跨导（NDT），即在一定的电压范围内电流会减少。该团队成功实现了双负微分跨导（D-NDT），即这种现象在单个器件内连续发生两次。简单来说，这项技术允许单个器件处理通常由多个器件分担的任务，从而降低了电路的复杂性。

其关键在于精确控制两种材料之间的重叠长度。当重叠区域较短时，电流只改变一次。然而，随着重叠区域变长，器件内部会同时形成横向和纵向电流，从而产生双电流峰值。正如沿直线流动的电流在遇到三维立体交叉路口时能够进行更复杂的路由一样，该器件也变得能够进行更复杂的信号处理。

利用该器件，该团队实现了一个将一个输入信号转换成四个输出信号的四倍频器。这一功能通常需要多个晶体管，但新技术仅用单个器件就实现了它，将所需晶体管的数量减少了75%。在实际的电路实验中，研究人员还证实，在单个输入信号周期内，数据处理速度提高了四倍。

“这项研究证明了在单个器件水平上实现复杂电路功能的可行性，”李炳勋教授表示。“我们期望这项技术能够广泛应用于超紧凑AI设备以及三维集成、高密度半导体系统的开发中。”

本研究得到了由韩国科学技术信息通信部和韩国国家研究基金会资助的国家半导体实验室核心技术开发计划和纳米材料技术开发计划的支持。

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