超薄晶體管讓計算機晶元「再快一點」

晶體管在計算機系統中扮演著重要的角色，其小型化一直是計算機工程師們關注的焦點。

幾十年來，微晶元中的晶體管的尺寸變得越來越小、速度變得越來越快、成本也越來越低。「摩爾定律」認為，商用晶元上的晶體管數量每隔約兩年就會增加一倍。但近年來，摩爾定律逐漸不再適用——晶體管的微型化似乎已經達到了自然極限。當它們的尺寸縮小到納米級時，會出現許多新的問題。

目前，科學家們在單原子級二維材料的幫助下，有望掀起新的微型化浪潮。sciencedaily.com網站7月24日報道，奧地利維也納技術大學（Vienna University of Technology）的研究人員開發了一種基於新型氟化鈣絕緣體的超薄晶體管。它具有良好的電性能，並且更加小型化。相關研究成果刊登於《自然·電子學》雜誌中。

如今，用於製造晶體管的半導體材料已經取得了重大突破：超薄半導體可以用二維材料製成。維也納技術大學微電子研究所的Tibor Grasser教授說：「雖然半導體材料已經有了巨大飛躍，但這還不足以製造出足夠小的晶體管。除了超薄半導體，我們還需要超薄絕緣體。」

晶體管的結構比較特殊，電流從晶體管一側流向另一側，但只有在中間施加電壓時才會產生電場，而提供電場的電極必須與半導體本身絕緣。Grasser教授說：「針對超薄半導體晶體管，研究人員已經做了大量工作，但它們大多是與普通絕緣體耦合的。如果半導體必須與厚厚的絕緣體材料結合，那麼晶體管的小型化就無從談起了。此外，在微觀尺度下，絕緣體表面也會對半導體的電子特性產生干擾。」因此，Grasser教授團隊的博士後Yury Illarionov嘗試了一種新的方法。他在晶體管的半導體部分和絕緣體部分同時使用了超薄二維材料。選擇離子晶體等超薄絕緣材料，可以使晶體管的尺寸縮小到若干納米。離子晶體的表面完全規則，無「原子凸起」，不會對電場產生干擾，因而電子性質得到了顯著改善。Grasser教授解釋說：「傳統材料會在三維空間中形成共價鍵，而在二維材料和離子晶體中卻並非如此。因此，它們不會干擾半導體的電性能。」

Illarionov等選擇氟化鈣作為絕緣材料。氟化鈣層由俄羅斯約飛研究所（Ioffe Institute）提供。維也納技術大學光子學研究所的Thomas Müller"s教授團隊製造了晶體管，並由微電子研究所的研究人員進行了測試。氟化鈣基原型晶體管的性能超出了研究人員的預期。Grasser教授說：「多年來，雖然我們測試了很多晶體管的性能，但含氟化鈣絕緣體的晶體管的研究還是首次。原型機的電器性能非常出色，優於以往所有的型號。」

目前，研究人員希望找出最佳的絕緣體-半導體組合。由於材料的製造工藝還需進一步優化，新技術可能還需時日才能應用於商用電腦晶元。Grasser教授評價說：「總的來講，用二維材料製成的晶體管毫無疑問將是未來的有趣選擇。從科學的角度來看，氟化鈣材料是解決絕緣體問題的最佳方案。當然，我們還有一些技術問題需要解答。」

這種體積更小、速度更快的新型晶體管有望使計算機工業繼續前行，而摩爾定律也可能由此「恢復生機」。

科界原創

編譯：雷鑫宇

審稿：三水

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