超薄晶体管可实现更快的计算机芯片

多年来,随着时间的流逝,我们微芯片上的晶体管变得越来越小,越来越快并且越来越便宜。每两年,商业芯片上的晶体管数量就增加一倍-这种现象已广为人知。“Moore’s Law.” For several years in the recent past, 摩尔’法律似乎不再成立。芯片组的小型化已达到自然极限,并且随着接近仅几纳米的长度尺度,开始出现新的问题。

小型化的下一个重大步骤可能会使用所谓的“二维(2-D)材料”仅由一个原子层组成。在新型氟化钙绝缘子的帮助下,维也纳工业大学的科学家创造了一种超薄晶体管,该晶体管具有出色的电性能,与传统技术相比,可以缩小到更小的尺寸。比以前有可能。新技术最近在杂志上发表 自然电子.

 

超薄半导体和绝缘体

近年来,围绕制造晶体管所需的半导体材料的研究已显示出重大进展。现在,超薄半导体可以由仅由几个原子层组成的2-D材料制成。“但这还不足以建造一个非常小的晶体管,”根据维也纳工业大学微电子研究所的Tibor Grasser教授的说法。“除了超薄半导体之外,我们还需要超薄绝缘体。”这是晶体管的基本结构的结果:电流能够从晶体管的一侧流到另一侧,但是只有在中间施加电压时才产生电场。提供此电场的电极必须与半导体本身电绝缘。

“已经有针对超薄半导体的晶体管实验,但直到现在,它们仍与普通绝缘体结合使用,”格拉斯教授说。“当仍必须与厚绝缘体材料层结合使用时,减小半导体的厚度并没有太大好处。无法将这种晶体管进一步小型化。而且,在非常小的长度尺度上,绝缘体表面被发现干扰了半导体的电子性能。”

Yury Illarionov,来自格拉斯教授’的团队,然后尝试了一种新颖的方法。研究人员并入了超薄的二维材料,不仅用于晶体管的半导体部分,而且用于绝缘机制。通过选择像离子晶体这样的超薄绝缘材料,可以构建只有几纳米大小的晶体管。由于离子晶体具有完美规则的表面,而没有单个原子从表面突出,这可能会干扰电场,从而改善了电子性能。“常规材料在三维中具有共价键-原子与上下相邻的材料耦合,”格拉斯教授解释说。“在二维材料和离子晶体中情况并非如此,因此它们不会干扰半导体的电性能。”

 

原型是世界冠军

为了生产新型超薄晶体管,选择了氟化钙作为主要绝缘材料。圣彼得堡的艾菲研究所还生产了氟化钙层,该出版物的作者最初来自尤里·伊拉里奥诺夫(Yury Illarionov)。晶体管本身由ThomasMüller教授制造’位于维也纳工业大学光子研究所的研究小组,后来由微电子研究所的研究小组进行了分析。

第一个原型超出了他们的所有期望。“多年来,我们已经收到了许多不同的晶体管来研究其技术性能-但是我们从未见过像带有氟化钙绝缘子的晶体管,”格拉斯教授说。“具有卓越电性能的原型优于所有以前的模型。 ”

在取得成功之后,该团队现在希望找出绝缘体和半导体的哪些组合可以共同发挥最佳效果。由于该技术仍需要优化材料层的制造工艺,因此将该技术用于商用计算机芯片可能还需要几年的时间。 

“但是,总的来说,毫无疑问,由2D材料制成的晶体管是未来非常有趣的选择,”Tibor Grasser说。“从科学的角度来看,很明显,我们刚刚测试的氟化物目前是解决绝缘子问题的最佳解决方案。现在,仅需解决几个技术问题。”

This new type of smaller and faster transistor should enable the computer industry to take the next big step. This way, 摩尔’呈指数级增长的计算机功能定律可能很快就会恢复相关性。