在半導(dǎo)體工業(yè)中,目前主要存在一種提升設(shè)備速度和效率的策略:根據(jù)摩爾定律,比例縮小器件規(guī)模使得在計算機芯片中集成更多晶體管。但是,計算機芯片中的晶體管數(shù)目不可能永遠保持指數(shù)級增長,這就促使研究者尋找其他的改進半導(dǎo)體技術(shù)的方法。
在一項發(fā)表在納米技術(shù)的新研究中,位于紐約奧爾巴尼的紐約州立大學(xué)(SUNY)工業(yè)學(xué)院的研究者表明,將多種功能結(jié)合到單個半導(dǎo)體器件中能提升設(shè)備功能并降低制造復(fù)雜性,由此提供了一種不同于比例縮小設(shè)備規(guī)模來提升功能的替代選擇。
為了進行演示,研究者設(shè)計并制造了一種可重構(gòu)器件。這種器件可變形成為三種基本半導(dǎo)體器件:pn二極管(功能是整流器,將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?,MOSFET即金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體(開關(guān))以及雙極性晶體管(或者叫BJT,用于電流放大)。
共同作者Ji Ung Lee說道:“我們成功利用單個可重構(gòu)器件演示了三個最重要的半導(dǎo)體器件(pn二極管,MOSFET以及BJT)。雖然可以利用現(xiàn)代半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備單獨制造這幾種器件,但如果要將它們結(jié)合起來則需要復(fù)雜的集成方案,而我們現(xiàn)在卻能制造一種實現(xiàn)三種器件功能的設(shè)備。”
這種多功能器件由二維二硒化鎢構(gòu)成(WSe2),這是一種近期發(fā)現(xiàn)的過渡金屬雙硫分子配合物半導(dǎo)體。通過控制其厚度就能調(diào)整其能帶隙,并且在單層形式下具有直接能隙,因此在電子應(yīng)用方面極具潛力。能帶隙是二維過渡金屬雙硫分子配合物相比零能帶隙石墨烯的優(yōu)勢之一。
為了將多種功能集成到單個器件中,研究者研發(fā)了一種新的摻雜技術(shù)。由于WSe2是一種新材料,目前尚缺乏相應(yīng)的摻雜技術(shù)。通過摻雜,研究者能實現(xiàn)諸如雙極性傳導(dǎo)等性能,即在不同條件下能傳導(dǎo)電子和空穴。摻雜技術(shù)還意味著所有三種功能都是表面?zhèn)鲗?dǎo)器件,這就提供了一種評估其性能的單一直接方式。
Lee說道:“相比使用只能形成固定器件的傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造技術(shù),我們使用柵極進行摻雜。這些攜帶(電子或空穴)流過半導(dǎo)體的柵極能動態(tài)變化。這種變化的能力使得這種可重構(gòu)器件實現(xiàn)了多種功能。”
“除了實現(xiàn)這些器件功能,這種可重構(gòu)器件還能潛在更簡潔和有效地實現(xiàn)特定邏輯功能。這是因為增加?xùn)艠O能節(jié)省整體面積,使計算更具效率。”
研究者計劃未來進一步研究這種多功能器件的應(yīng)用。
Lee說道:“我們希望利用比目前半導(dǎo)體制造過程更少的基本器件建立復(fù)雜的計算機電路。這將證實我們器件在后CMOS時代的可擴展性。”
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