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导读 据奥地利维也纳技术大学官网近日报导，该校研究人员采纳二维材料制成的超薄半导体以及氟化钙制成的新型绝缘体，缔造出一种新型超薄晶体管。这种晶体管具有卓越的电气特性，可小型化至极小的尺寸。 布景 数十年来，芯片上的晶体管变得越来越小，越来越快，越来越廉价。“摩尔定律”指出：“当代价不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，机能也将提升一倍。”
摩尔定律-集成电路芯片上晶体管数量（1976-2016）（图片来源：维基百科） 但是比年来，摩尔定律正在面临失效。晶体管小型化已经迫近物理极限。一旦低于5纳米，晶体管中电子的行为将受制于量子不确定性，很容易发生隧穿效应，晶体管变得不再可靠，芯片制造面临巨大挑战。 在所谓的“后摩尔时代”，世界列国科学家都开始积极探索各类新技术、新工艺、新材料。自旋电子学、份子电子学、量子计算机、声子计算机、光子计算机、细胞计算机等新兴领域的研究让我们看到了新的但愿。 二维材料，属于这些新兴研究领域中的佼佼者。二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米标准（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料。比方，目前备受瞩目的神奇材料“石墨烯”就是一种典范的二维材料。
（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock） 除石墨烯外，二维材料还包含六方氮化硼、二硫化钼、黑磷等。这些二维材料可用于制造半导体以及超薄柔性电子器件，并有望为电子器件的小型化带来新的巨猛进步。
二硫化钼和1纳米碳纳米管栅极构成的晶体管示意图。（图片来源：Sujay Desai/加州大学伯克利分校） 立异 近日，奥地利维也纳技术大学（TU Wien）的研究人员采纳二维材料制成的超薄半导体，在氟化钙制成的新型绝缘体扶助下，缔造出一种超薄晶体管。这种晶体管具有卓越的电气特性，分歧于之前的技术，它可以小型化至极小的尺寸。这项新技术已经颁发在《自然电子学（Nature Electronics）》期刊上。
新型晶体管示意图：赤色与蓝色的是绝缘体，半导体位于上方。（图片来源：维也纳技术大学） 技术 比年来，关于晶体管制造所需的半导体材料的研究取患了显著进展。如今，超薄半导体可以由二维材料制成，这些材料仅由几个原子层构成。维也纳技术大学微电子研究所传授提伯·格拉泽（Tibor Grasser）暗示：“可是，对付机关极小的晶体管来说，这还不敷。除了超薄的半导体，我们还必要超薄的绝缘体。” 原因在于晶体管的根本设计布局：只有傍边间有电压施加时，电流才可以从晶体管的一侧流向另一侧，缔造出电场。电极提供的这个电场必需与半导体自己电断气缘。提伯·格拉泽暗示：“采纳超薄半导体的晶体管实验已经在开展，可是迄今为止，这些实验都与普通绝缘体相关。当半导体仍然与厚厚的绝缘材料层结合在一起时，减少半导体的厚度并无什么好处。这种晶体管无法进一步小型化。别的，在很是小的长度标准上，绝缘体概况会干扰半导体的电子特性。” 因此，提伯·格拉泽团队的博士后研究员尤里·伊拉里奥诺夫（Yury Illarionov）测验考试了一种新方案。他将超薄二维材料不仅用于晶体管的半导体部门，也用于绝缘体部门。他通过选择超薄绝缘材料比方离子晶体，机关出尺寸仅为几个纳米的晶体管。因为离子晶体拥有完美的规则概况，没有一个原子会从概况上鼓出，这样就不会影响到电场，所以晶体管的电子特性会获得改善。提伯·格拉泽解释道：“传统的材料在第三个维度上拥有共价键，原子与上下相邻的材料之间发生耦合。二维材料和离子晶体其实不会这样，所以它们不会干扰半导体的电气特性。” 为了制造这种新型超薄晶体管，氟化钙当选为绝缘材料。氟化钙层在圣彼得堡约飞研究所出产，论文第一作者尤里·伊拉里奥诺夫在参加维也纳的团队之前就在那里工作。然后，晶体管自己是由维也纳技术大学光子研究所的托马斯·穆勒（Thomas Müller）传授团队制造，并在微电子研究所进行阐发。 价值 第一个原型已经超出了所有的期望：“多年来，我们收到了相当多分歧的晶体管，并研究它们的技术特性，可是从未见过像这种具有氟化钙绝缘体的晶体管。该原型具有卓越的电气特性，超出了之前所有的模型。 现在，团队想要找出绝缘体与半导体的哪种组合工作得最好。因为材料层的出产工艺仍然必要改善，所以这项技术还要几年才气用于商用计算机芯片。提伯·格拉泽暗示：“然而，总的来说，未来由二维材料制成的晶体管毫无疑问将是很是有吸引力的选择。从科学的角度来看，很明显，我们方才测试过的氟化物是目前解断交缘体问题的最佳方案。现在，只有剩下几个技术问题有待答复。” 这种更小、更快的新型晶体管将使得计算机产业再次取得巨猛进步。通过这种方法，摩尔定律可能很快从新焕产生机，计算机机能有望迅猛增长。 关头字 晶体管、二维材料、半导体、摩尔定律 参考资料 【1】Yury Yu. Illarionov, Alexander G. Banshchikov, Dmitry K. Polyushkin, Stefan Wachter, Theresia Knobloch, Mischa Thesberg, Lukas Mennel, Matthias Paur, Michael St?ger-Pollach, Andreas Steiger-Thirsfeld, Mikhail I. Vexler, Michael Waltl, Nikolai S. Sokolov, Thomas Mueller, Tibor Grasser. Ultrathin calcium fluoride insulators for two-dimensional field-effect transistors. Nature Electronics, 2019; 2 (6): 230 DOI: 10.1038/s41928-019-0256-8 【2】https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/ultrathin-transistors-for-faster-computer-chips/ |
