【上海电力电子展】新型的铁电半导体场效应晶体管已被成功研制出

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       据美国普渡大学官网近日报道，该校工程师将晶体管与铁电随机存取存储器结合成一种新设备，该设备集信息处理与存储功能于一身。

       如今，数字计算机，特别是超级计算机，已具备非常强大的计算能力。但是面对某些复杂问题时，传统计算机还是无法胜任，不能像人脑那样低能耗、高效率地进行运算并解决问题。这个问题的主要原因是，传统计算机大多采用了冯·诺依曼体系结构。冯·诺依曼体系结构是由美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（John von Neumann）于1946年提出的。

       在冯·诺依曼体系结构中，存储器存储程序指令和数据；处理器执行指令与处理相关数据。可是，存储器与处理器是完全分离的两个单元，数据需要在处理器与内存之间来回移动。随着计算机技术不断进步，处理器速度不断提高，内存容量也不断扩大，可是内存访问速度的增长却缓慢，成为了计算机整体性能的一个重要瓶颈，也就是所谓的“内存墙”问题。因此，无论硬件可以做得多小或者多快，架构中都存在着这样一个固有的瓶颈。

       相比之下，人脑优势明显。它不仅可并行处理和存储大量数据，而且能耗极低。人脑处于全方位的互联状态，其中的逻辑和记忆功能紧密关联，其密度和多样性均是现代计算机的数十亿倍。因此，科学家们希望从人脑结构中汲取灵感，来解决传统计算机所固有的问题。他们试图模仿人脑的神经元与突触，在同一地点处理和存储信息。为此，他们努力打造了许多新型器件，其中比较典型的有忆阻器、光学类脑计算芯片等。

       研究人员们在《自然·电子学（Nature Electronics）》期刊上详细描述了这一方案。该方案通过解决另一个问题来实现这个目标，也就是说，将晶体管与所谓的“铁电随机存取存储器（ferroelectric RAM）”结合起来。铁电随机存取存储器比大多数计算机中使用的存储技术性能更高。

       数十年来，研究人员们一直尝试将信息处理与存储功能合二为一，但问题出现在铁电材料与硅（组成晶体管的材料）之间的界面上。相反，铁电随机存储器作为芯片上的独立单元来运行，限制了它让计算变得更高效的潜力。普渡大学电气与计算机工程系教授叶培德（Peide Ye）领导的团队找到了破解硅与铁电材料之间死敌关系的方法。

       叶教授表示：“我们采用具有铁电特性的半导体。这样一来，两种材料变成一种材料，你不必再担心界面问题。”结果就制造出了一种所谓的“铁电半导体场效应晶体管”，它与目前计算机芯片上所用的晶体管的制造方法相同。

       α-In2Se3 这种材料不仅具有铁电特性，还可以解决传统铁电材料通常用作绝缘体而不是半导体的问题，这个问题是由于所谓的宽“带隙”，也就是说，电流无法通过，也没有进行计算。α-In2Se3 的带隙要窄得多，在成为半导体的同时又不会丧失铁电特性。

       普渡大学电气与计算机工程系博士后研究员司梦伟（Mengwei Si，音译），构造并测试了这种晶体管，发现其性能堪比现有的铁电场效应晶体管，并且通过更多的优化可以超越它们。普渡大学电气与计算机工程系助理教授 Sumeet Gupta 以及博士研究生 Atanu Saha 提供了建模支持。

       司梦伟与叶培德的团队也与佐治亚理工学院的研究人员合作，将 α-In2Se3 构造到芯片上的一片空间中，这片空间也称为铁电隧道结。工程师们可用它来提升芯片性能。12月9日，团队在2019年度国际电子设备会议上展示了这项成果。

       过去，研究人员们一直都无法构造高性能的铁电隧道结，因其宽带隙使材料太厚，以至电流无法流过。然而 α-In2Se3 的带隙要窄得多，因此材料厚度仅为10纳米，可允许更多电流流过。叶教授表示，较多的电流让器件面积可缩小至几纳米，使芯片更密集、更节能。较薄的材料，甚至薄至一层原子的厚度，也意味着隧道结两侧的电极可以变小很多，从而有利于构造模仿人脑神经网络的电路。

文章来源：环球创新智慧

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