二氧化釩有助于提升晶體管能效？

　　美國賓州大學(xué)(Penn State)的材料科學(xué)家采用一種將二氧化釩結(jié)合于電子元件的新技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了可提升電晶體效能的新方法。

　　“目前的電晶體技術(shù)難以取代，因為半導(dǎo)體己經(jīng)進(jìn)展得如此有聲有色，”賓州大學(xué)材料科學(xué)與工程系助理教授Roman Engel-Herbert解釋。“但還有一些材料，如二氧化釩可以添加在現(xiàn)有的元件中，使其效能表現(xiàn)更好。”

　　研究人員們已經(jīng)知二氧化釩有一種不尋常的特性稱為“金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變”。在金屬狀態(tài)下，電子可自由移動，但在絕緣狀態(tài)下則無法流動。二氧化釩天生具有開/關(guān)轉(zhuǎn)換特性，這同時也是電腦邏輯和記憶體的基礎(chǔ)。

　　研究人員認(rèn)為，如果能將二氧化釩添加到接近元件的電晶體，就可以提高電晶體的性能。而如果將二氧化釩添加到記憶體單元，就能夠提高讀取與寫入的穩(wěn)定度能源效率，以及維護(hù)資訊狀態(tài)。不過，他們面臨的主要挑戰(zhàn)是無法在產(chǎn)業(yè)所需的規(guī)模(晶圓級)上以薄膜的形式生長出足夠高品質(zhì)的二氧化釩。

　　雖然二氧化釩看起來很簡單，但卻難以合成。為了創(chuàng)造出精確的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變，釩與氧的比例必須精確地加以控制。當(dāng)二者的比例控制得宜，材料就會在電阻方面表現(xiàn)超過四個數(shù)量級的改變，足以進(jìn)行強大的開/關(guān)響應(yīng)。

　　VO 2的晶體結(jié)構(gòu)圖，顯示在整個金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變過程中，釩(黑色箭頭處)相對于氧離子的運動。VO 2在低溫時的作用就像絕緣體，而在接近室溫時則像金屬一樣

　　(來源：Lawrence Berkeley National Laboratory)

　　賓州大學(xué)的研究人員們在《自然通訊》(Nature Communications)期刊上發(fā)表研究報告，他們最先以1:2的完美釩氧比例，在3寸藍(lán)寶石晶圓上生長出二氧化釩薄膜。這種材料可用于制造混合場效應(yīng)電晶(hyper-FET)，從而帶來更加節(jié)能的電晶體。今年稍早，另一組由賓州大學(xué)電子與電機系教授Suman Datta帶領(lǐng)的研究小組也在《自然通訊》發(fā)表研究成果，展示增加二氧化釩可在室溫下提供可反轉(zhuǎn)的切換，減少了自發(fā)熱效應(yīng)以及對于電晶體能量的需求。

　　這種二氧化釩還可以讓現(xiàn)有的記憶體技術(shù)受惠，這正是賓州大學(xué)研究人員正在積極進(jìn)行的任務(wù)。

　　“使用二氧化釩材料作為增強元件，其金屬-絕緣體特性能夠有效地增強先進(jìn)的非揮發(fā)性記憶器，有趣的是，它也可以在一些記憶體架構(gòu)作為選擇器，”賓州大學(xué)電子工程系教授兼積體電路與元件實驗室負(fù)責(zé)人Sumeet Gupta表示。

　　選擇器可以確保記憶體晶片上的讀取或?qū)懭胭Y訊都在單一個記憶體單完成，而不至于影響鄰近單元。這種選擇器的工作原理是改變記憶體單元的電阻值，二氧化釩可在這方面發(fā)揮很好的效果。此外，二氧化釩的電阻值可用于增加讀取作業(yè)的穩(wěn)定度。

　　“為了確定釩與氧的最佳比例，我們并未采用常規(guī)途徑，而是在整個藍(lán)寶石晶圓上同時用各種不同釩-氧比例來沈積二氧釩，”Engel-Herbert的學(xué)生Hai-Tian Zhang表示。“透過采用各種比例的釩-氧，我們得以執(zhí)行磁通計算來確定最佳組合，在薄膜上取得了理想的1:2釩氧比。這種新的方法將有助于為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用快速鑒定最佳的生長條件，避免冗長的反覆試驗。”

　　賓州大學(xué)的研究人員已經(jīng)與圣母大學(xué)(Notre Dame)合作 ，利用這種生長二氧化釩薄膜材料的方法，制造出超高頻開關(guān)了。這些開關(guān)顯示出較傳統(tǒng)元件更高出一個數(shù)量級的截止頻。這項研究將在2015年12月的IEEE國際電子元件會議上發(fā)表。

　　“我們開始體認(rèn)到，具有這些開/關(guān)響應(yīng)的材料類型可望讓資訊科技的許多方面受益，例如提高穩(wěn)定度、讀/寫的能效，以及在記憶體、邏輯與通訊元件中的運算作業(yè)，”Engel-Herber說，“當(dāng)你能以晶圓級制造出高品質(zhì)的二氧化，人們就會有更多很棒的點子來善加利用。”