摩尔定律已失效，未来超薄晶体管将用于更快的计算机芯片

几十年来，微芯片上的晶体管变得更小、更快、更便宜。大约每两年，商用芯片上的晶体管数量就会翻一番——这一现象被称为“摩尔定律”。但几年来，摩尔定律不再成立。微型化已经达到了一个自然的极限，当只接近几个纳米的长度尺度时，就会出现全新的问题。

然而，现在，下一个大的微型化步骤可能很快就会成为可能——用所谓的“二维(2-D)材料”，可能只包含一个单一的原子层。在一种由氟化钙制成的新型绝缘体的帮助下，维也纳理工大学的科学家们发明了一种超薄晶体管，它具有优异的电性能，与以前的技术相比，它可以小型化到极小的尺寸。这项新技术已经发表在《自然电子》杂志上。

超薄半导体和绝缘体

近年来，用于制造晶体管的半导体材料的研究取得了重大进展。今天，超薄半导体可以由二维材料制成，只由几个原子层组成。德国工业大学微电子研究所的Tibor Grasser教授说:“但这还不足以制造出一个非常小的晶体管。”“除了超薄半导体，我们还需要超薄绝缘体。”

这是由于晶体管的基本设计结构:电流可以从晶体管的一边流向另一边，但只有在中间施加电压时才会产生电场。提供这种电场的电极必须与半导体本身绝缘。Tibor Grasser说:“已经有了超薄半导体晶体管实验，但直到现在，它们都是与普通绝缘体耦合的。”“当半导体还必须与一层厚厚的绝缘体材料结合时，降低其厚度没有多大好处。再也没有办法使这样的晶体管小型化了。此外，在非常小的长度尺度下，绝缘体表面会干扰半导体的电子特性。”

因此，Tibor Grasser团队的博士后Yury Illarionov尝试了一种新的方法。他不仅在晶体管的半导体部分使用了超薄二维材料，而且在绝缘部分也使用了超薄二维材料。通过选择离子晶体等超薄绝缘材料，可以制造出只有几纳米大小的晶体管。离子晶体的电子性质得到了改善，因为它可以有一个完全规则的表面，没有一个原子从表面突出来，从而干扰电场。Tibor Grasser解释说:“传统材料在三维空间中有共价键——原子与上下相邻的材料结合。”“在二维材料和离子晶体中并非如此，因此它们不会干扰半导体的电性能。”

原型机是世界冠军

为了生产新型超薄晶体管，选用氟化钙作为绝缘材料。氟化钙层是在圣彼得堡的约费研究所(Ioffe Institute)产生的，该论文的第一作者尤里·伊拉里奥诺夫(Yury Illarionov)就是在这里加入维也纳的研究小组的。晶体管本身是由托马斯·穆勒教授在维也纳大学光子学研究所的团队制造的，并在微电子研究所进行了分析。

第一个原型已经超出了所有人的预期:“多年来，我们已经收到了许多不同的晶体管来研究它们的技术性能——但是我们从来没有见过像我们的晶体管那样带有氟化钙绝缘体，”Tibor Grasser说。“这款原型机具有优越的电气性能，比之前的所有型号都要出色。”

现在研究小组想找出哪种绝缘体和半导体的组合效果最好。这项技术可能还需要几年的时间才能用于商用电脑芯片，因为材料层的制造工艺还需要改进。“然而，总的来说，毫无疑问，由二维材料制成的晶体管是未来一个非常有趣的选择，”Tibor Grasser说。“从科学的角度来看，很明显，我们刚刚测试的氟化物是目前解决绝缘体问题的最佳方案。现在，只有几个技术问题尚待回答。”

这种体积更小、速度更快的新型晶体管将使计算机工业迈出下一步。这样，摩尔指数增长的计算机能力定律很快就会重现。