加大柏克萊分校發現新電晶體設計,協助晶片降低運算功耗

作者 | 發布日期 2022 年 04 月 12 日 11:50 | 分類 IC 設計 , 晶片 , 材料、設備 Telegram share ! follow us in feedly


外電報導,《自然》期刊的新研究,加州大學柏克萊分校研究員表示,晶片電晶體設計有重大突破,藉改良電晶體開關的關鍵作用,稱為閘極氧化層,可不犧牲運算速度、晶片尺寸同時降低耗能。

晶圓代工龍頭台積電特聘教授、加州大學柏克萊分校電氣工程和電腦科學教授、論文作者 Sayeef Salahuddin 指出,目前要透過價值數以兆計美元的半導體產業才能達到的進步,基本上研究已可突破。能耗提升是透過負電容效應達成,有助減少材料儲存電荷所需電壓。Sayeef Salahuddin 的 2008 年理論研究就預測到負電容存在,且還在 2011 年鐵電晶體展示效應。

新研究顯示如何在氧化鉿和氧化鋯分層堆疊組成的工程晶體產生負電容效應。因這種晶體非常容易相容先進矽晶體,所以這種材料可納入電晶體模型。研究展示負電容效應如何大大降低控制電晶體所需電壓,降低晶片消耗電能。Salahuddin 表示,過去 10 年運算耗能呈倍數成長,已佔世界能源生產的個位數百分比,龐大數字只會成長到沒有盡頭。目標就是減少運算基本能源需求,因可降低整個系統的能源使用量。

現階段來說,最先進筆電和智慧手機都有數以百億計的微小矽電晶體,每個電晶體都必須施加電壓控制。柵極氧化物是一層薄薄材料,透過施加電壓轉化為電荷,然後開關電晶體以控制。負電容效應可藉減少特定電荷所需電壓量,提高柵極氧化物性能,但這種效果不能用任何材料達成。創造負電容效應需仔細操縱鐵電性的材料特性,當一種材料表現出自發電場時就會出現這情況。以前這效果只在過氧化物鐵電材料看到,但過氧化物晶體結構跟矽不相容,難以應用於晶片矽電晶體。

研究小組還指出,藉由將氧化鉿和氧化鋯結合至超晶格工程晶體結構,實驗證實可做到負電容效應,並還能使鐵電性和反鐵電性同時存在。成員之一的加州大學柏克萊分校博士後研究員 Suraj Cheema 表示,這種組合帶來更佳負電容效應,代表負電容效應現象比想像廣泛,不僅發生在鐵電體跟電介質的傳統基礎,還可透過設計晶體結構利用反鐵電性和鐵電性,使效果更強。

研究人員還發現,三個氧化鋯原子層夾在兩個氧化鉿單原子層之間組成的超晶格結構總厚度不到 2 奈米,提供最佳負電容效應環境。大多數最先進矽電晶體已使用二氧化矽上面有氧化鉿組成的 2 奈米二氧化鋯,且氧化鋯也用於矽技術,使超晶格結構很容易整合至先進電晶體。為了測試超晶格結構為二氧化鋯的性能表現,研究團隊還製作短通道電晶體測試。結果顯示與現有電晶體相比,新電晶體需要電壓減少約 30%,還能保持半導體產業基準,且不損失可靠性。

(首圖來源:UC Berkeley)