重大突破!麻省理工的研究为非硅晶体管带来新希望
原创
2020-12-25 15:31 星期五
财联社 黄君芝

财联社(上海,编辑 黄君芝)讯,几十年来,硅一直主导着计算机芯片和晶体管的生产,以至于世界科技之都都以它的名字命名——硅谷(Silicon Valley)。然而,硅的统治可能不会永远持续下去,麻省理工学院(MIT)的一项最新研究结果就很有可能动摇其霸主地位。

麻省理工学院的研究人员发现,一种名为InGaAs(砷化铟镓)的合金可能具有制造更小,更节能的晶体管的潜力。以前,研究人员认为InGaAs晶体管的性能会在小范围内下降。但是最新的研究结果表明,这种明显的变质并非材料本身的固有特性。

研究人员表示,这一发现可能会在某一天帮助推动计算能力和效率超越硅所能提供的水平。该研究主要作者、麻省理工学院微系统技术实验室和电气工程与计算机科学系(EECS)学生Xiaowei Cai表示,“我们真的很兴奋。我们希望这一结果将鼓励大家继续探索使用InGaAs作为晶体管的通道材料。

晶体管是计算机的重要组成部分。它们充当着开关的作用(停止电流或让电流流动),并可以引发一系列惊人的计算:从模拟全球气候到在Youtube上播放视频。一台笔记本电脑可能包含数十亿个晶体管。为了像过去几十年那样在未来提高计算能力,电气工程师将不得不开发更小、更紧凑的晶体管。迄今为止,硅一直是晶体管的半导体材料的首选。

然而,InGaAs已经显露出成为其潜在竞争对手的迹象。据研究,即使在低电压下,电子也能轻松地穿过InGaAs。研究人员表示,这种材料“已知具有出色的(电子)传输性能”。InGaAs晶体管可以快速处理信号,从而可能加快计算速度。另外,InGaAs晶体管可以在相对较低的电压下运行,这意味着它们可以提高计算机的能源效率。因此,InGaAs似乎是用于计算机晶体管的有前途的材料。

但这种材料一直被认为有一个BUG,即其良好的电子传输特性会随规模的缩小而减弱,但这正是制造更快、更密集的计算机处理器所需要的。这个问题使一些研究人员得出结论,认为纳米InGaAs晶体管根本不可能取代硅。

然而,此次MIT的研究得出结论称,该问题应部分归因于氧化物陷阱,而并非这种材料本身的缺陷。氧化物会导致电子在试图流过晶体管时被卡住。Cai说,“我们发现这是一种误解。”

“晶体管应该像一个开关一样,你希望能够接通电压并产生大量电流。但是,如果您捕获了电子,则发生的事情就是打开电压,但通道中只有非常有限的电流。因此,当氧化物被捕获时,开关能力会大大降低。”他解释说。

研究小组通过研究晶体管的频率依赖性,即电脉冲通过晶体管的传输速率,确定了上述结论。在低频下,纳米InGaAs晶体管的性能似乎会有所下降。但在1千兆赫或更高的频率下,它们运行地很好,即氧化物捕获不再是一个障碍。

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