由东京大学生产技术研究所副教授小林正治和奈良先端科学技术大学院大学物质创成科学领域教授浦岡行治领导的联合研究小组利用原子层沉积法形成氧化物半导体纳米薄膜的技术，成功开发了高性能和高可靠性晶体管，使用可在低温下形成的纳米片氧化物半导体作为沟道材料。
图1：原型纳米片氧化物半导体晶体管和截面透射显微镜示意图
具体来说，研究团队开发了一种通过为每个原子层交替沉积 In2O3 和 Ga2O3 来沉积 InGaO (IGO) 纳米薄膜的方法。使用纳米片IGO作为沟道材料制作并评估了平面晶体管，系统地研究了性能指标迁移率和偏置应力阈值电压漂移可靠性指标，并研究了迁移率和阈值漂移之间的权衡，阐明了它们之间的关系。为了解决这个权衡问题，提出了一种 Gate-All-Around 结构，其中 IGO 纳米片被栅极覆盖，实现了 1.2 倍的迁移率提高和阈值电压漂移的显着降低。
图2：Nanosheet氧化物半导体晶体管（左上）电特性模拟结果，（左下）实测结果，（右上）迁移率（vs.平面晶体管），（右下）偏置应力阈值电压漂移（vs.平面晶体管）晶体管）
氧化物半导体已被研究、开发和量产用于平板显示器。氧化物半导体可以在低温下形成并具有高性能，因此人们越来越期待将其应用于半导体集成技术作为下一个应用。为了将氧化物半导体用作晶体管的沟道材料作为半导体集成技术，氧化物半导体必须是纳米薄膜，并且器件必须具有高性能和高可靠性。在这项研究中，研究团队开发了一种通过原子层沉积方法均匀地形成氧化物半导体纳米薄膜的技术，开发了栅极覆盖氧化物半导体纳米薄膜的纳米片晶体管，并开发了纳米片晶体管实现了具有高迁移率和高偏置应力电阻的片状晶体管。有了这项技术，预计半导体的集成度将变得更高，由此产生的功能将得到增强，从而导致利用大数据的社会服务的发展。
每天都在创建利用数据中心和物联网边缘设备作为基础设施的大数据的社会服务。构成底层计算技术核心的半导体的大规模集成正在取得进展，并且三维集成目前正处于实现更高水平集成和功能的边缘。通过在硅衬底上形成的传统半导体集成电路的布线层中形成晶体管，可以三维地堆叠和高度集成的高性能电路。为此，需要可以在低温下形成的半导体材料，并且使用这种材料的晶体管即使在小型化以实现高集成度时也必须具有高性能和高可靠性。氧化物半导体是迄今为止用于平板显示器的半导体材料，需要开发可靠的晶体管技术。
该研究使通过原子层沉积实现了氧化物半导体纳米薄膜的均匀沉积。 未来将推动高迁移率、高可靠性的氧化物半导体纳米薄膜的开发，向精细晶体管和三维结构晶体管发展，有助于半导体三维高度集成的研究和开发。