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加州大学开发出全新“负电容”晶体管,为高效晶体管研发带来希望
2017-12-28

[据物理学组织网站20171219日报道] 2008年,美国普渡大学的一个研究团队曾提出利用负电容原理制造新型低功耗晶体管的概念。近日,加州大学伯克利分校的研究人员通过实验对这一概念进行了验证演示。研究人员利用一层极薄的二硫化钼二维材料半导体层作为临近晶体管栅极的沟道。然后,利用铁电材料氧化锆铪制作新型负电容栅极的关键组件。该研究内已于20171218日刊登在著名学术期刊《自然纳米技术》上。

电容,即电荷的存储量,一般为正值。然而,如果在晶体管栅极中加入铁电材料,就会产生负的电容值。这是因为,在某一临界电压下,铁电体的极化方向会发生反转,这会导致材料表面束缚电荷的巨大积累瞬间超过电源的电极供给。此时,如在电极和外电源间放一电阻,就可看出电压在下降,但电荷仍然在增加,结果导致出现电容为负值的现象。利用负电容操控晶体管所产生的功耗非常低。应用这种新型晶体管的电子设备的续航能力将会大大提升。

当前,二氧化铪作为优良的电介质材料或绝缘材料被广泛用于晶体管栅极中。在全新设计中研究人员用铁电材料氧化锆铪替代了二氧化铪。研究人员指出,此项研究的目的就是要制造出功耗更低、更加高效的晶体管,特别是针对那些储电量有限的电子设备,如移动电话、分布式传感器和新兴的物联网组件等。

晶体管是可对电路执行快速开启和关闭操作的微小开关器件,使计算机能利用二进制代码处理信息。适当的关闭操作是十分重要的,以避免电能的泄漏。由于热离子极限限制,晶体管在进行开关操作时电流每增加十倍所需的最低电压一般为60毫伏(即亚阈值摆幅)。然而,利用负电容原理的晶体管有望对打破这种基本理论限制,可在更低的电压下执行开关操作,从而大大减少器件运行功耗。

新的研究发现表明,在晶体管栅极中使用铁电材料和负电容原理有助于提升晶体管的开关性能。但是,要实现这一全新的设计需要满足另一个要求:为使晶体管的开关状态达到理想的水平必须避免磁滞现象的产生。研究人员利用当前在半导体制造工业中较为常见的原子层沉积工艺制作负电容,增加了新型晶体管的实际使用价值和制造可行性。

目前,该项研究仍在进行中。未来,研究人员将会继续探索这些设备的开关速度是否能够足够快,以满足超高速的商业应用需求。然而,即使没有实现超快的开关速度,新型晶体管也将对各种低频、低功率电子设备产生革命性的影响。(工业和信息化部电子第一研究所  李铁成)

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