根據(jù)外電報道，近期在《自然》期刊上所發(fā)表的一項研究中，加州大學柏克萊分校的研究人員表示，對芯片的晶體管設(shè)計有了重大突破。也就是藉由改良其在晶體管的開關(guān)中作為關(guān)鍵作用，而被稱為柵極氧化層的情況下，可以在不犧牲運算速度、芯片尺寸的情況下大大降低其耗能。

根據(jù)晶圓代工龍頭臺積電特聘教授，也是加州大學柏克萊分校電氣工程和計算機科學教授，并為該項由就論文作者的Sayeef Salahuddin指出，當前要透過價值數(shù)以兆計美元的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)才能做到的進步，基本上我們的研究已經(jīng)可以進行突破。據(jù)了解，這樣的能耗狀況的提升，是通過一種叫做負電容效應(yīng)所達成的，它有助于減少在材料中儲存電荷所需的電壓。過去，Sayeef Salahuddin在2008年的理論研究上就預(yù)測了負電容的存在，而且還在2011年的一次鐵晶體體中展示了這種效應(yīng)。

報道指出，這項新的研究顯示了如何在一種由氧化鉿和氧化鋯的分層堆疊組成工程晶體中產(chǎn)生負電容效應(yīng)。而因為這種晶體非常容易跟先進的硅晶體兼容，所以透過將這種材料，可以將其納入晶體管模型當中。而該研究也展示了負電容效應(yīng)如何能大大降低控制晶體管所需的電壓，并且因此降低芯片所消耗的電能。Salahuddin對此表示，在過去的10年里用于運算的耗能呈現(xiàn)倍數(shù)增長，當前已經(jīng)占世界能源生產(chǎn)的個位數(shù)百分比。而且，這個龐大的數(shù)字只會成長，并且沒有盡頭。因此，我們的目標就是在于減少運算的這一基本的能源需求，因為這將降低整個系統(tǒng)的能源使用量。

就現(xiàn)階段來說，最先進的筆記本電腦和智能手機都包含數(shù)以百億計的微小硅晶體管，而每個晶體管都必須通過施加電壓來控制。其中，柵極氧化物是一層薄薄的材料，透過將施加的電壓轉(zhuǎn)化為電荷，然后開關(guān)晶體管以達到控制的目的。在此情況下，負電容效應(yīng)可以藉由減少特定電荷所需的電壓量，進而提高柵極氧化物的性能，但這種效果不能在任何材料中達成。所以，創(chuàng)造負電容效應(yīng)需要仔細操縱一種叫做鐵電性的材料特性，當一種材料表現(xiàn)出自發(fā)的電場時就會出現(xiàn)這種情況。以前，這種效果只在過氧化物的鐵電材料中實現(xiàn)，但過氧化物的晶體結(jié)構(gòu)跟硅不兼容，難以應(yīng)用在當前芯片所采用的硅晶體管上。

另外，研究小組還指出，藉由將氧化銹和氧化鋯結(jié)合在一個被稱為超晶格的工程晶體結(jié)構(gòu)中，實驗也證實可以實現(xiàn)負電容效應(yīng)，并且還能使得鐵電性和反鐵電性同時存在。研究小組成員之一的加州大學伯克利分校的博士后研究員Suraj Cheema表示，這種組合實際上給我們帶來了更好的負電容效應(yīng)，這代表這種負電容效應(yīng)現(xiàn)象比原來想象的要廣泛得多，而不只是僅僅發(fā)生在鐵電體跟電介質(zhì)的傳統(tǒng)基礎(chǔ)中。實際上，還可以通過設(shè)計這些晶體結(jié)構(gòu)來利用反鐵電性和鐵電性，從而使其效果更強。

報導(dǎo)進一步指出，研究人員還發(fā)現(xiàn)，由三個氧化鋯原子層夾在兩個氧化鉿單原子層之間組成的超晶格結(jié)構(gòu)總厚度不到兩納米，這提供了最佳的負電容效應(yīng)環(huán)境。由于大多數(shù)最先進的硅晶體管已經(jīng)使用了由二氧化硅上面氧化鉿所組成的兩納米二氧化鋯，并且氧化鋯也被用于硅技術(shù)，這使得超晶格結(jié)構(gòu)可以很容易地被整合到先進的晶體管當中。而為了測試超晶格結(jié)構(gòu)作為二氧化鋯的性能表現(xiàn)，研究團隊還制作了短通道晶體管，并進一步測試了其中的能力。結(jié)果顯示，跟現(xiàn)有的晶體管相比，這些晶體管需要的電壓將減少約30%，以此同時還能保持半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基準，且不損失的可靠性。

封面圖片來源：拍信網(wǎng)