硅晶體管將被取代？全碳自旋電子器件更加小而快！

導讀

最近，美國德克薩斯大學達拉斯分校科學家設計出一種新型計算機器件：全碳自旋邏輯器件，完全由碳構成，採用了自旋電子學原理。它的尺寸比硅晶體管更小，性能卻更佳，未來有望取代硅晶體管。

關鍵字

晶體管、碳納米管、石墨烯、電子自旋、半導體

背景

計算機和半導體技術發展的過程中，有一個元器件扮演著至關重要的作用，它就是晶體管。晶體管是一種固體半導體器件，具有檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調製等多種功能，通常用作放大器和電控開關。

（圖片來源於: 維基百科）

晶體管，是人類現代歷史中最偉大的發明之一。現代電子設備例如電腦、智能手機、智能硬體等等，都離不開晶體管。在集成電路技術出現後，大量的晶體管可以被封裝在一片指甲蓋大小的晶元內。這種晶體管由源極、漏極和位於它們之間的柵極所組成，電流從源極流入漏極，柵極則起到控制電流開關的作用。

著名的摩爾定律曾經指出：當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

所以，隨著半導體技術的進步，晶體管的尺寸在不斷縮小，而晶元的製程一直都在提高，從28納米到22納米，16納米，14納米等，最近有消息稱台積電正在測試7納米製程。因此，單顆晶元上可以容納的晶體管數不斷增加，如今最先進的晶元上容納的晶體管數已經達到幾十億、甚至上百億。

然而，近些年來晶體管尺寸的縮小和數量的增加正在放緩，或者說遭遇了瓶頸，即摩爾定律正面臨危機和挑戰。那麼，為什麼會發生這種狀況呢？

眾所周知，傳統的晶體管主要都是由硅材料製成的。對於硅基晶體管來說，7納米堪稱物理極限。一旦晶體管的尺寸低於這個數字，正如筆者曾在《摩爾定律，是生存還是毀滅？》一文所介紹的：

電子的行為將受限於量子的不確定性，晶體管中的電子就很容易產生隧穿效應，晶體管將變得不再可靠，晶元的製造面臨巨大的挑戰。

為了解決這個問題，讓摩爾定律還可以繼續保持生機與活力，產業界和科學界的有識之士們開始尋找新的材料，這些材料的目標就是取代硅，生產出尺寸更小、性能更佳的晶體管。

但是，這些方案目前也都僅限於實驗室研究階段，目前尚未找到能在產業內大規模量產商用的、可以完全替代硅的晶體管材料。

儘管如此，科學家在探索取代硅的新材料方面，還是付出了很多努力。筆者在以往的文章中作過許多相關介紹，這裡帶大家回顧一下：

• 《半導體領域革命性突破：史上最小的1納米晶體管誕生》一文中曾介紹過美國勞倫斯伯克利國家實驗室利用納米碳管和二硫化鉬（MoS2）研製出全球最小的晶體管，其晶體管製程僅有1納米。

具有二硫化鉬和1納米的碳納米管門電路的晶體管示意圖。

(圖片來源於: Sujay Desai/加州大學伯克利分校)

• 《黑磷將掀起另一波的微小晶體管潮流》一文中曾經介紹過，黑磷有望成為晶體管的一種非常好的備選材料。

黑磷的摺疊蜂巢晶體結構示意圖。

(圖片來源於: Vahid Tayari/麥吉爾大學)

• 《重磅：科學家利用二維納米材料噴墨列印晶體管！》一文中，介紹了愛爾蘭科學家利用二維材料（石墨烯、二硒化鎢、氮化硼）噴墨列印晶體管。

（圖片來源於：都柏林大學聖三一學院）

• 《新型柔性微處理器：由超薄二維材料二硫化鉬製成！》介紹過維也納技術大學的科研團隊和歐盟石墨烯旗艦項目的科研人員合作，製造出一種由二維材料二硫化鉬（MoS2）製成的晶體管。

（圖片來源於: Stefan Wachter/維也納技術大學)

• 《新型石墨烯光電晶體管：有望用於檢測輻射！》一文中介紹了美國普渡大學的研究人員將石墨烯和碳化硅基質相結合，設計出了新型石墨烯場效應管。

（圖片來源於: Erin Easterling/普渡大學）

• 《新型石墨烯複合材料：未來電子設備將更便宜、耐用、輕便！》一文中不僅介紹了石墨烯、C60、六方氮化硼組成的複合材料，而且還提到了過渡金屬硫化物（TMDs），它可以克服石墨烯缺少帶隙的問題，其帶隙可以和硅相比，有望製成真正的晶體管。

另外，英國曼徹斯特大學和諾丁漢大學研發現的硒化銦(InSe)晶體，也是一種十分優秀的新材料，只有幾個原子厚，幾乎和石墨烯一樣薄。然而，不同於石墨烯，它與硅類似具有大的帶隙，可以方便控制晶體管的開關。

以上的這些案例，我們可以看出：

雖然硅基半導體的發展面臨重大挑戰，但是這些年，科學家們一直都在積極探尋取代硅的候選材料。

創新

今天，我要給大家介紹的創新技術，又是一次取代「硅」的新嘗試。最近，美國德克薩斯大學達拉斯分校科學家設計出一種新型的計算機器件：全碳自旋邏輯器件，完全由碳構成，採用了自旋電子學原理。它的尺寸比硅晶體管更小，性能卻更佳，未來有望取代硅晶體管。

這種全碳自旋邏輯器件的方案，在線發表於6月5日的《自然通信》雜誌，論文首作者是德克薩斯大學達拉斯分校電子與計算機工程的助理教授 Joseph S. Friedman ，另外還有其他幾位合著者。

技術

眾所周知，電子具有兩個重要的非常重要的屬性：電荷和自旋。但是，現代微電子技術往往都是利用了電子的電荷屬性，而忽視了電子的自旋特性。

電子攜帶電荷，電荷的定向移動形成電流。傳統的電子計算機，一般都是通過電子設備和導線之間的電流，傳輸和處理相關數據信息。然而，電流遇到電阻會產生熱量，這一點影響了電子設備的性能。

1925年由G.E.烏倫貝克和S.A.古茲密特受到泡利不相容原理的啟發，分析原子光譜的一些實驗結果，提出電子具有自旋的特性，以及與電子自旋相聯繫的自旋磁矩。從此，人們開始認識到電子自旋的特性，並且逐步開始研究它。1980年，科學家在固態器件中發現了與電子自旋有關的電子輸運現象，於是便開始出現了自旋電子學。

自旋電子學 (Spintronics)，利用了電子的自旋和磁矩，使固體器件中除電荷輸運外，還加入電子的自旋和磁矩。自旋電子學的應用包括：硬碟磁頭、磁性隨機內存、自旋場發射晶體管、自旋發光二極體等等。自旋電子器件相比於微電子器件，具有存儲密度高、能耗低、響應快等多種優點。

今天介紹的這項創新技術，原理就是來自自旋電子學。它是一種全碳的自旋電子學開關，功能上就是就像一個邏輯門。

它依賴於電磁學的基本原理：當電流通過一根電線時，會在其周圍產生相應的磁場。另外，靠近二維碳原子帶（也稱為「石墨烯納米帶」）的磁場，會影響到流過這個帶的電流。

磁阻的石墨烯納米帶位於碳納米管上，如同拉鏈解開的形式存在著。它受到兩條平行的碳納米管的控制。當所有的電壓恆定時，所有的電流都是單向的。輸入碳納米管的控制電流ICTRL 的量級和相對方向，決定了磁場B和石墨烯碳納米帶的邊緣磁化，以及輸出的電流IGNR。 如下圖所示：

（圖片來源於:參考資料【2】）

傳統的硅基計算機中的晶體管，是無法利用這一現象的。相反，它們之間通過電線連接。一個晶體管的輸出，通過線連接到另外一個晶體管，作為其輸入，依此類推以一種級聯的方式連接。

然而，在Friedman設計的自旋電子電路中，電子通過碳納米管時，會產生一個磁場。這種磁場會影響到附近石墨烯納米帶中的電流，從而產生出一種之間實際沒有通過物理上的線進行連接的級聯邏輯門。

價值

由於石墨烯碳納米帶之間的通信，是通過電磁波而產生，而不是由於電子的物理運動而產生，所以研究人員希望這種通信可以更加快速，能夠達到太赫茲的時鐘頻率。另外，這些碳基的晶體管能夠比硅基的更小，而目前硅基的晶體管由於其材料屬性，尺寸已經接近其物理極限，難以進一步縮小。

雖然目前這個概念仍然處於設計階段，但是研究人員將繼續朝著一種全碳的、級聯自旋電子計算機系統的目標前進。

參考資料

【1】http://www.utdallas.edu/news/2017/6/5-32589_Engineer-Unveils-New-Spin-on-Future-of-Transistors_story-wide.html?WT.mc_id=NewsHomePageCenterColumn

【2】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms15635

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