计算机可能变得越来越小但功能越来越强大，但它们需要大量能量才能运行。在过去十年中，美国用于计算的能源总量急剧上升，并迅速接近交通等其他主要部门的能源总量。在当地时间4月6日于《自然》在线发表的一项研究中，加州大学伯克利分校的工程师描述了晶体管设计的新步骤——构成计算机构建块的微型电子开关。一项重大突破，可以在不牺牲速度、尺寸或性能的情况下大幅降低其能耗。该组件称为栅极氧化物，它在晶体管的开关中起着关键作用。“我们已经能够证明我们的栅极氧化物技术优于商用晶体管，”该研究的资深作者、台积电加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学杰出教授SayeefSalahuddin说。万亿美元的半导体产业能做什么——我们基本上能打败他们。据悉，这种效率提升是通过一种称为负电容的效应实现的，它有助于减少材料中存储的电荷量。Salahuddin于2008年从理论上预测了负电容，该效应于2011年首次在铁电晶体中得到证实。这项新研究展示了负电容是如何在由氧化锆层叠体组成的工程晶体中实现的，这些工程晶体很容易与先进的硅晶体兼容.通过将这种材料纳入模型晶体管，研究表明负电容效应如何能够大大降低控制晶体管所需的电压量，从而降低计算机消耗的能量。Salahuddin说：“在过去10年中，用于计算的能源翻了一番，占世界能源生产的个位数百分比，而且这种增长只是线性的，没有止境。通常，当我们使用电脑和手机时，我们不要考虑我们正在使用多少能源。但这是一个巨大的数量，而且只会上升。我们的目标是减少这一基本计算构建块的能源需求，因为这将减少能源需求整个系统。“将负电容变为现实技术最先进的笔记本电脑和智能手机包含数百亿个微型硅晶体管，每个晶体管都必须通过施加电压来控制。栅极氧化物是一层薄薄的材料，它反过来将施加的电压转换为电荷，然后电荷会切换晶体管。负电容可以通过降低实现特定电荷所需的电压量来提高栅极氧化物的性能。但这种效果是任何材料都达不到的。创建负电容仔细操纵称为铁电性的材料特性，当材料表现出自发电场时会发生这种情况，需要仔细操纵。以前，这种效果只能在称为过氧化物的铁电材料中实现，其晶体结构与硅不相容。在这项研究中，该团队表明，负电容也可以通过在称为超晶格的工程晶体结构中结合氧化铪和氧化锆来实现，并且同时允许铁电性和反铁电性。存在。“我们发现这种组合实际上给了我们更好的负电容效应，表明这种负电容现象比原先想象的更强大，”共同第一作者、加州大学伯克利分校的博士后研究员SurajCheema说。它更广泛。负电容不仅仅发生在铁电体与电介质的传统图片中，这是过去十年的研究内容。你实际上可以通过设计这些晶体结构来利用反铁电性和铁电性，使其更有效。”研究人员发现，超晶格结构由夹在两个氧化铪单原子层之间的三个氧化锆原子层组成，其总厚度为小于两纳米，这提供了最佳的负电容效应。由于大多数最先进的硅晶体管已经使用两纳米的氧化锆，其由二氧化硅顶部的氧化铪组成，并且由于氧化锆也用于硅技术，这些超晶格结构可以很容易地集成到先进的晶体管中。为了测试超晶格结构作为氧化锆的性能，该团队制造了短沟道晶体管并测试了它们的能力。与现有晶体管相比，这些晶体管需要的电压将降低约30%，在保持半导体行业标杆的同时不可靠性损失。“我们在这类研究中经常看到的一个问题是，我们可以展示材料中的各种现象，但那些材料与先进的计算材料不兼容，所以我们无法将好处带给真正的技术。这项工作变成了负面电容从一个学术话题变成了可以实际用于高级晶体管的东西。”
