功能多、更节能的新型晶体管——适配AI的未来半导体

能够改变特性的晶体管是半导体未来发展的一个重要要素。随着标准晶体管的体积大小接近极限，开发更节能的电路以提高内存进而实现更强大的计算机，在相同数量的单元上实现更多的功能变得越来越重要。

据报道，瑞典隆德大学(Lund University)的研究人员最近在这方面有所突破。他们展示了如何制造新的可配置晶体管，并在一个新的的层面上进行控制。最新研究成果近日发表在《自然通讯》杂志上。

鉴于外界对更更更高效电路的需求越来越大，人们对可重构的晶体管产生了浓厚兴趣。这种技术的优点是，晶体管在制造完成后，可以与标准半导体相比改变其性能。

从历史上看，通过缩小硅晶体管的尺寸来提高计算机的计算计算效率(又称摩尔定律)。但现在已经到了一个“瓶颈阶段”，继续沿着这些路线发展的成本变得高了很多，而这条路线的发展也因为量子力学问题的出现而变得缓慢。

于是，科学家们就不停地寻找新的材料，元件，电路。据了解，在III-V材料(硅的替代品)领域，隆德大学在国际上处于领先地位。这些材料在发展高频技术(如未来6G和7G网络的部件)、光学应用以及越来越节能的电子部件方面都有相当的潜力。

为了实现这一潜能，科研人员采用的是铁-电两种材料。这是一种特殊的材料，当它们暴露在电场中时，其内部极化现象就会发生变化。与一般磁铁不同的是，它并非磁北极和磁南极，而是以正负电荷在材料的每一面形成电极。通过极化的改变，晶体管可以得到控制。另一个好处是，这种材料即使电流关闭，也会“记得”它是极化的。

研究人员通过一种新的材料组合，创造出可以控制晶体管中隧道结的铁电“颗粒”——一种电桥效应。而且颗粒大小只有10nm。通过测量电压或电流的波动，就能识别一个晶粒的极化在什么时候会发生改变，从而知道这对晶体管的行为会产生怎样的影响。

这一最新发表的研究以带有隧道势垒的晶体管形式，研究了新的铁电存储器，以创建新的电路架构。纳米电子学博士Anton Eriksson说：“我们的目标是创造神经形态电路，即适应人工智能的电路，因为它们的结构与人脑的突触和神经元相似”。

据研究人员介绍，新成果的特别之处在于可以利用铁电晶粒直接位于结附近，从而制造隧道结。这些纳米微粒在个体层面上是可以控制的，而之前只能对整个微粒组进行跟踪。这样，就可以对材料的各个部分进行识别和控制。

“为了创造先进的应用，你必须首先了解单个颗粒的动态到原子水平，以及存在的缺陷。增加对材料的理解可以用来优化功能。通过控制这些铁电颗粒，你就可以创造出可以改变其性质的新型半导体。通过改变电压，你可以在同一个组件中产生不同的功能，”他们补充说。

此外，研究人员研究了如何利用这些知识创建不同的可重构应用，通过操纵通过晶体管发出的信号。比如，它可以用在新的存储单元，也可以用在更节能的晶体管上。

研究人员将这种新型的晶体管称为铁TFET，可以用在数码和仿真电路中。这种晶体管还有一个好处，就是在低电压下也能工作。这使得他们的能源利用效率很高，未来无线通信、物联网和量子计算机等领域都需要这样的能源。

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