加州大学伯克利分校的工程师们创造了工程晶体结构，显示出一种不寻常的物理现象，称为负电容。将这种材料整合到先进的硅晶体管中可以使计算机更加节能。鸣谢:加州大学伯克利分校Ella Maru工作室计算机可能变得越来越小，功能越来越强，但它们需要大量的能量来运行。美国用于计算的能源总量在过去十年中大幅上升，并正在迅速接近其他主要部门，如交通运输。在本周在线发表在《自然》杂志上的一项研究中，加州大学伯克利分校的工程师们描述了晶体管组件设计的重大突破——构成计算机积木的微小电子开关——可以在不牺牲速度、尺寸或性能的情况下显著降低能耗。这种成分被称为栅极氧化物，在晶体管的开关过程中起着关键作用。
“我们已经能够证明我们的栅极氧化物技术比商用晶体管更好:万亿美元的半导体产业今天可以做什么——我们基本上可以打败他们，”该研究的高级作者Sayeef Salahuddin说，他是加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学的TSMC杰出教授。
这种效率的提高是通过一种叫做负电容的效应实现的，这种效应有助于降低在材料中存储电荷所需的电压量。萨拉赫丁在2008年从理论上预测了负电容的存在，并在2011年首次在铁电晶体中证明了这一效应。
这项新研究显示了如何在由氧化铪和氧化锆的分层堆叠组成的工程晶体中实现负电容，这种晶体很容易与先进的硅晶体管兼容。通过将这种材料纳入模型晶体管，这项研究展示了负电容效应如何能够显著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。
萨拉赫丁说:“在过去的10年里，用于计算的能源呈指数增长，已经占世界能源生产的个位数百分比，而世界能源生产只是线性增长，看不到尽头。”“通常，当我们使用电脑和手机时，我们不会考虑我们使用了多少能源。但这是一个巨大的数额，而且只会上升。我们的目标是降低这一基本计算模块的能源需求，因为这将降低整个系统的能源需求。”
将负电容引入真实技术
最先进的笔记本电脑和智能手机包含数百亿个微小的硅晶体管，每个晶体管都必须通过施加电压来控制。栅极氧化层是一层薄薄的材料，它将施加的电压转换成电荷，然后转换晶体管。
负电容可以通过降低获得给定电荷所需的电压量来提高栅极氧化物的性能。但是这种效果不是任何材料都能达到的。产生负电容需要仔细控制一种称为铁电性的材料特性，当材料表现出自发电场时就会产生这种特性。以前，这种效应只在称为钙钛矿的铁电材料中实现，其晶体结构与硅不兼容。
在这项研究中，研究小组表明，通过在一种称为超晶格的工程晶体结构中结合氧化铪和氧化锆，也可以实现负电容，这种结构可以同时产生铁电性和反铁电性。
“我们发现这种组合实际上给我们带来了更好的负电容效应，这表明这种负电容现象比最初想象的要广泛得多，”该研究的共同第一作者、加州大学伯克利分校的博士后研究员苏拉吉·吉玛说。“负电容不仅仅出现在传统的铁电体和电介质的图像中，这是过去十年来一直在研究的。实际上，你可以通过设计这些晶体结构，在利用铁电性的同时利用反铁电性，让这种效应变得更强。”
研究人员发现，由三个氧化锆原子层夹在两个氧化铪单原子层之间组成的超晶格结构，总厚度不到两纳米，提供了最佳的负电容效应。因为大多数最先进的硅晶体管已经在二氧化硅上使用由氧化铪构成的2纳米栅极氧化物，并且因为氧化锆也用于硅技术，所以这些超晶格结构可以容易地集成到高级晶体管中。
为了测试超晶格结构作为栅极氧化物的性能，该团队制造了短沟道晶体管并测试了它们的性能。与现有的晶体管相比，这些晶体管在保持半导体行业基准的同时，需要的电压将减少约30%，并且不会损失可靠性。
萨拉赫丁说:“在这类研究中，我们经常看到的一个问题是，我们可以证明材料中的各种现象，但这些材料与先进的计算材料不兼容，因此我们无法将这种好处带给真正的技术。”“这项工作将负电容从一个学术话题转化为实际上可以用于先进晶体管的东西。”
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