计算机非硅晶体管的新发现

几十年来，有一种材料在计算机芯片和晶体管的生产中占据了主导地位，以至于世界科技之都——硅谷——都以它的名字命名。但硅的统治可能不会永远持续下去。

麻省理工学院的研究人员发现，一种名为InGaAs(铟镓砷化物)的合金有潜力制造更小、更节能的晶体管。此前，研究人员认为InGaAs晶体管的性能在小尺度下会下降。但新的研究表明，这种明显的劣化并不是材料本身的固有属性。

有一天，这一发现可能会推动计算能力和效率超越硅。“我们非常兴奋,”该研究的主要作者蔡晓伟说。“我们希望这一结果将鼓励业界继续探索InGaAs作为晶体管通道材料的使用。”

Cai，现在是Analog Devices的一名博士生，在麻省理工学院微系统技术实验室和电子工程与计算机科学系(EECS)，与Donner教授Jesús del Alamo完成了这项研究。欧洲杯线上买球她的合著者包括马德里理工大学的Jesús Grajal，以及麻省理工学院的Alon Vardi和del Alamo。这篇论文将在本月的虚拟IEEE国际电子器件会议上发表。

晶体管是计算机的基本部件。它们就像开关一样，要么停止电流，要么让电流流动，这引发了一系列惊人的计算——从模拟全球气候到在Youtube上播放猫的视频。一台笔记本电脑可以包含数十亿个晶体管。为了在未来提高计算能力，就像几十年来所做的那样，电子工程师将不得不开发更小、封装更紧密的晶体管。到目前为止，硅一直是晶体管的首选半导体材料。但是InGaAs已经显示出成为潜在竞争对手的迹象。

电子可以轻松地通过InGaAs，即使是在低电压下。这种材料“已知有伟大的[电子]输运特性，”蔡说。InGaAs晶体管可以快速处理信号，可能会提高计算速度。此外，InGaAs晶体管可以在相对较低的电压下工作，这意味着它们可以提高计算机的能源效率。因此，InGaAs似乎是一种很有前途的计算机晶体管材料。但这里有个陷阱。

InGaAs有利的电子传递特性似乎在小尺度上恶化——而小尺度是制造更快、密度更大的计算机处理器所需要的。这个问题导致一些研究人员得出结论，纳米级InGaAs晶体管根本不适合这项任务。但是,蔡说,“我们发现这是一种误解。”

研究小组发现，InGaAs的小规模性能问题部分是由于氧化物捕获。这种现象导致电子在试图通过晶体管时被卡住。”晶体管应该起开关的作用。你想要能够打开电压并有大量电流，”蔡说。”但是如果你捕获了电子，你打开了一个电压，但是你只有非常有限的电流在通道中。所以当你有氧化物捕获时，开关能力会低很多。”

蔡的团队通过研究晶体管的频率依赖性(电脉冲通过晶体管的频率)确定了氧化物俘获是罪魁祸首。在低频率下，纳米级InGaAs晶体管的性能出现下降。但在1千兆赫或更大的频率下，它们工作得很好——氧化物捕获不再是一个障碍。“当我们以非常高的频率操作这些设备时，我们注意到性能非常好，”她说。“他们在硅技术方面具有竞争力。”

蔡希望她的团队的发现将为研究人员研究基于ingaas的计算机晶体管提供新的理由。这项研究表明“真正需要解决的问题不是InGaAs晶体管本身。这是氧化物的问题，”她说。“我们认为，这是一个可以解决或设计出来的问题。”她补充说，InGaAs在经典和量子计算应用中都显示出了前景。

“这个(研究)领域仍然非常、非常令人兴奋，”德尔·阿拉莫说。“我们致力于将晶体管的性能发挥到极致。”总有一天，InGaAs将提供这种极端的性能。

这项研究得到了国防威胁减少署和国家科学基金会的部分支持。欧洲杯线上买球

来源:https://web.mit.edu/