麻省理工學(xué)院：新型晶體管以納秒級(jí)速度開(kāi)關(guān)

麻省理工學(xué)院（MIT）團(tuán)隊(duì)在 2021 年創(chuàng)造了一種新的鐵電材料，他們使用相同的物質(zhì)來(lái)制造晶體管。據(jù)稱(chēng)，這種新型超薄晶體管優(yōu)于當(dāng)今電子產(chǎn)品中使用的晶體管。具體來(lái)說(shuō)，科學(xué)家們強(qiáng)調(diào)其快速的納秒開(kāi)關(guān)速度和卓越的耐用性。

「在我的實(shí)驗(yàn)室里，我們主要做基礎(chǔ)物理學(xué)，」塞西爾和艾達(dá)·格林物理學(xué)教授巴勃羅·賈里洛-埃雷羅（Pablo Jarillo-Herrero）說(shuō)，他領(lǐng)導(dǎo)了這一突破背后的團(tuán)隊(duì)（通過(guò) Interesting Engineering）。「這是最早的例子之一，也許是最引人注目的例子，說(shuō)明非常基礎(chǔ)的科學(xué)如何導(dǎo)致可能對(duì)應(yīng)用程序產(chǎn)生重大影響。」

這種新晶體管最顯著的能力是可以改變其充電狀態(tài)的速度。目前的晶體管技術(shù)在數(shù)百納秒內(nèi)切換狀態(tài)，但這種新材料可能會(huì)將其減少到其中的一小部分。這對(duì)于高性能計(jì)算至關(guān)重要，尤其是在 AI 技術(shù)需要越來(lái)越多的數(shù)據(jù)來(lái)處理的情況下。

由于這種材料非常薄，制造商可能會(huì)將它們包裝得比目前的半導(dǎo)體產(chǎn)品更密集。除了在每個(gè)區(qū)域獲得更高的性能外，它還將帶來(lái)更高的能源效率——這是人工智能處理未來(lái)的關(guān)鍵因素，尤其是在電力限制現(xiàn)在成為擴(kuò)展數(shù)據(jù)中心的主要瓶頸的情況下。

麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)重要進(jìn)步是新型鐵電材料提供的更高的耐用性。當(dāng)前的 SSD 使用壽命有限，頂級(jí)型號(hào)每 1TB 容量能夠?qū)懭?700TB。另一方面，即使在 1000 億次開(kāi)關(guān)之后，這種晶體管也沒(méi)有顯示出退化的跡象。

目前，該團(tuán)隊(duì)只制造了一個(gè)晶體管來(lái)展示其功能。因此，在這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)入日常設(shè)備之前，它仍然面臨一些挑戰(zhàn)。「有幾個(gè)問(wèn)題。但是，如果你解決了它們，這種材料在很多方面都適合潛在的未來(lái)電子產(chǎn)品」，制造晶體管的小組成員 Ray Ashoori 說(shuō)。這非常令人興奮。

康奈爾大學(xué)助理教授安田健二（Kenji Yasuda）是該研究的共同第一作者，他還補(bǔ)充說(shuō)：「如果人們能夠在晶圓規(guī)模上種植這些材料，我們就可以創(chuàng)造出更多價(jià)值。」

鐵電材料

鐵電材料是指具有鐵電效應(yīng)的一類(lèi)材料，它是熱釋電材料的一個(gè)分支。鐵電材料及其應(yīng)用研究已成為凝聚態(tài)物理、固體電子學(xué)領(lǐng)域最熱門(mén)的研究課題之一。晶體，其原因在于他們具有相當(dāng)優(yōu)異的性能。許多電光晶體、壓電材料就是鐵電晶體。鐵電晶體無(wú)論在技術(shù)上或理論上都具有重要的意義。

壓電材料：物質(zhì)受機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)能產(chǎn)生電壓，或受電壓作用時(shí)能產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力的性質(zhì)。例如：竊聽(tīng)器、Fabry-Perot 干涉儀的推進(jìn)器（陶瓷）等。

電光晶體：折射率在外電場(chǎng)作用下發(fā)生改變的材料。例如：Q 開(kāi)關(guān)等。鐵電材料，是熱釋電材料中的一類(lèi)。其特點(diǎn)是不僅具有自發(fā)極化，而且在一定溫度范圍內(nèi)，自發(fā)極化偶極矩能隨外施電場(chǎng)的方向而改變。它的極化強(qiáng)度 P 與外施電場(chǎng)強(qiáng)度 E 的關(guān)系，與鐵磁材料的磁通密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線（B-H 曲線）極為相似。極化強(qiáng)度 P 滯后于電場(chǎng)強(qiáng)度 E, 稱(chēng)為電滯曲線。電滯曲線是鐵電材料的特征。即當(dāng)鐵電晶體二端加上電場(chǎng) E 后，極化強(qiáng)度 P 隨 E 增加沿 OAB 曲線上升，至 B 點(diǎn)后 P 隨 E 的變化呈線性 (BC 線段)。E 下降，P 不沿原曲線下降，而是沿 CBD 曲線下降。當(dāng) E 為零時(shí), 極化強(qiáng)度 P 不等于零而為 Pr，稱(chēng)為剩余極化強(qiáng)度。

只有加上反電場(chǎng) EC 時(shí) P 方等于零，EC 稱(chēng)為鐵電材料的矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度。CBDFGHIC 構(gòu)成整個(gè)電滯曲線。鐵電晶體是由許多小區(qū)域 (電疇) 所組成，每個(gè)電疇內(nèi)的極化方向一致，而相鄰電疇的極化方向則不同。從宏觀來(lái)看，整個(gè)晶體是非極化的，呈中性。在外電場(chǎng)作用下，極化沿電場(chǎng)方向的電疇擴(kuò)大。當(dāng)所有電疇都沿外電場(chǎng)方向，整個(gè)晶體成為單疇晶體，即到達(dá)圖上飽和點(diǎn) B，當(dāng)外電場(chǎng)繼續(xù)增加, 此時(shí)晶體只有電子和離子極化，與普通電介質(zhì)一樣，P 與 E 成直線關(guān)系（BC 段），延長(zhǎng) BC 直線交 P 軸于 T，相應(yīng)的極化強(qiáng)度 Ps 即為該晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度。

在某一溫度以上，鐵電材料的自發(fā)極化即消失，此溫度稱(chēng)為居里點(diǎn)。它是由低溫的鐵電相改變?yōu)楦邷氐姆氰F電相的溫度。典型鐵電材料有：鈦酸鋇（BaTiO3）、磷酸二氫鉀 (KH2PO4) 等。過(guò)去對(duì)鐵電材料的應(yīng)用主要是利用它們的壓電性、熱釋電性、電光性能以及高介電常數(shù)。由于新鐵電材料薄膜工藝的發(fā)展，鐵電材料在信息存儲(chǔ)、圖像顯示和全息照相中的編頁(yè)器、鐵電光閥陣列作全息照相的存儲(chǔ)等已開(kāi)始應(yīng)用。