超薄晶体管，让计算机芯片“再快一点”

晶体管在计算机系统中扮演着重要的角色，其小型化一直是计算机工程师们关注的焦点。

几十年来，微芯片中的晶体管的尺寸变得越来越小、速度变得越来越快、成本也越来越低。“摩尔定律”认为，商用芯片上的晶体管数量每隔约两年就会增加一倍。但近年来，摩尔定律逐渐不再适用——晶体管的微型化似乎已经达到了自然极限。当它们的尺寸缩小到纳米级时，会出现许多新的问题。

目前，科学家们在单原子级二维材料的帮助下，有望掀起新的微型化浪潮。sciencedaily.com网站7月24日报道，奥地利维也纳技术大学（Vienna University of Technology）的研究人员开发了一种基于新型氟化钙绝缘体的超薄晶体管。它具有良好的电性能，并且更加小型化。相关研究成果刊登于《自然·电子学》杂志中。

如今，用于制造晶体管的半导体材料已经取得了重大突破：超薄半导体可以用二维材料制成。维也纳技术大学微电子研究所的Tibor Grasser教授说：“虽然半导体材料已经有了巨大飞跃，但这还不足以制造出足够小的晶体管。除了超薄半导体，我们还需要超薄绝缘体。”

晶体管的结构比较特殊，电流从晶体管一侧流向另一侧，但只有在中间施加电压时才会产生电场，而提供电场的电极必须与半导体本身绝缘。Grasser教授说：“针对超薄半导体晶体管，研究人员已经做了大量工作，但它们大多是与普通绝缘体耦合的。如果半导体必须与厚厚的绝缘体材料结合，那么晶体管的小型化就无从谈起了。此外，在微观尺度下，绝缘体表面也会对半导体的电子特性产生干扰。”因此，Grasser教授团队的博士后Yury Illarionov尝试了一种新的方法。他在晶体管的半导体部分和绝缘体部分同时使用了超薄二维材料。选择离子晶体等超薄绝缘材料，可以使晶体管的尺寸缩小到若干纳米。离子晶体的表面完全规则，无“原子凸起”，不会对电场产生干扰，因而电子性质得到了显著改善。Grasser教授解释说：“传统材料会在三维空间中形成共价键，而在二维材料和离子晶体中却并非如此。因此，它们不会干扰半导体的电性能。”

Illarionov等选择氟化钙作为绝缘材料。氟化钙层由俄罗斯约飞研究所（Ioffe Institute）提供。维也纳技术大学光子学研究所的Thomas Müller's教授团队制造了晶体管，并由微电子研究所的研究人员进行了测试。氟化钙基原型晶体管的性能超出了研究人员的预期。Grasser教授说：“多年来，虽然我们测试了很多晶体管的性能，但含氟化钙绝缘体的晶体管的研究还是首次。原型机的电器性能非常出色，优于以往所有的型号。”

目前，研究人员希望找出最佳的绝缘体-半导体组合。由于材料的制造工艺还需进一步优化，新技术可能还需时日才能应用于商用电脑芯片。Grasser教授评价说：“总的来讲，用二维材料制成的晶体管毫无疑问将是未来的有趣选择。从科学的角度来看，氟化钙材料是解决绝缘体问题的最佳方案。当然，我们还有一些技术问题需要解答。”

这种体积更小、速度更快的新型晶体管有望使计算机工业继续前行，而摩尔定律也可能由此“恢复生机”。