突破性研究发起新一轮晶体管微缩革命,有望为摩尔定律续命

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突破性研究发起新一轮晶体管微缩革命,有望为摩尔定律续命
麻省理工科技评论 2018年7月9日

2018年7月9日

随着晶体管的微缩接近3纳米这个极限,新的设计工艺可能即将出现,而这项研究引领了当今晶体管的缩小化的研究,有望为延续50年的摩尔定律续命。
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随着晶体管的微缩接近3纳米这个极限,新的设计工艺可能即将出现,而这项研究引领了当今晶体管的缩小化的研究,有望为延续50年的摩尔定律续命。

摩尔定律统治了晶体管的发展50多年,目前晶体管的尺寸已经逐步逼近了物理极限。超过这个极限(小于3纳米)漏电流便会大到不可忽视。近日,来自哥伦比亚大学工程学院的研究团队合成了一种新型分子,这种新型结构可以防止漏电流的产生,从而有望使晶体管尺寸突破物理极限。

摩尔定律统治了晶体管的发展50多年,目前晶体管的尺寸已经逐步逼近了物理极限。超过这个极限(小于3纳米)漏电流便会大到不可忽视。近日,来自哥伦比亚大学工程学院的研究团队合成了一种新型分子,这种新型结构可以防止漏电流的产生,从而有望使晶体管尺寸突破物理极限。在量子力学中,具有一定能量的电子可以以一定的概率穿过位势垒,尽管这个位势垒具有更高的能量。这个现象就是“量子隧穿效应”。晶体管之间的真空具有很高的势垒,在一定程度上防止了电子的隧穿。但是在当两个晶体管的距离接近到物理极限时,即使是真空也无法阻挡电子穿过,此时便会产生漏电流。

科学家新合成的分子不再试图通过构筑高高的壁垒来阻止电子穿过(因为电子的波函数的特性,只要距离足够近,再高的势垒电子也会有一定的概率通过),而是另辟蹊径,让电子波函数互相抵消,这样虽然会有电子在两个晶体管之间“穿过”,但是波函数叠加后,等效的电流为零,从而阻止了漏电流的产生。

这种硅基分子的设计灵感来源于“量子干涉”。量子世界中的一切粒子都可以用波函数来表示,波函数代表粒子出现于某一个位置的概率(严格来讲是波函数的平方)。和经典力学世界的波一样,波函数也可以发生干涉。当两列波函数的相位相差波长的整数倍时,就产生的“相长干涉”,合成的新波函数振幅得到了加强;而当它们的相位相差半波长的奇数倍时,就产生了“相消干涉”,合成波的振幅为零。该种分子正是采用了“量子相消干涉”,来作为阻隔漏电流的机制:电子叠加态波函数为零。从经典力学上讲,电子不可能存在于这个区域。

“晶体管日益发展,要突破物理极限,传统方法已经不适用,我们必须采用创新方法制造晶体管。我们设计的分子便是传统设备上的创新设计的一个例子。”哥伦比亚大学工程物理学家Latha接受采访时说。随着晶体管的微缩接近3纳米这个极限,新的设计工艺可能即将出现,而这项研究引领了当今晶体管的缩小化的研究,有望为延续50年的摩尔定律续命。

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