導(dǎo)讀

最近，美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分?？茖W(xué)家設(shè)計出一種新型計算機器件：全碳自旋邏輯器件，完全由碳構(gòu)成，采用了自旋電子學(xué)原理。它的尺寸比硅晶體管更小，性能卻更佳，未來有望取代硅晶體管。

關(guān)鍵字

晶體管、碳納米管、石墨烯、電子自旋、半導(dǎo)體

背景

計算機和半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的過程中，有一個元器件扮演著至關(guān)重要的作用，它就是晶體管。晶體管是一種固體半導(dǎo)體器件，具有檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制等多種功能，通常用作放大器和電控開關(guān)。

（圖片來源于: 維基百科）

晶體管，是人類現(xiàn)代歷史中最偉大的發(fā)明之一?，F(xiàn)代電子設(shè)備例如電腦、智能手機、智能硬件等等，都離不開晶體管。在集成電路技術(shù)出現(xiàn)后，大量的晶體管可以被封裝在一片指甲蓋大小的芯片內(nèi)。這種晶體管由源極、漏極和位于它們之間的柵極所組成，電流從源極流入漏極，柵極則起到控制電流開關(guān)的作用。

著名的摩爾定律曾經(jīng)指出：當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

所以，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，晶體管的尺寸在不斷縮小，而芯片的制程一直都在提高，從28納米到22納米，16納米，14納米等，最近有消息稱臺積電正在測試7納米制程。因此，單顆芯片上可以容納的晶體管數(shù)不斷增加，如今最先進(jìn)的芯片上容納的晶體管數(shù)已經(jīng)達(dá)到幾十億、甚至上百億。

然而，近些年來晶體管尺寸的縮小和數(shù)量的增加正在放緩，或者說遭遇了瓶頸，即摩爾定律正面臨危機和挑戰(zhàn)。那么，為什么會發(fā)生這種狀況呢？

眾所周知，傳統(tǒng)的晶體管主要都是由硅材料制成的。對于硅基晶體管來說，7納米堪稱物理極限。一旦晶體管的尺寸低于這個數(shù)字，正如筆者曾在《摩爾定律，是生存還是毀滅？》一文所介紹的：

電子的行為將受限于量子的不確定性，晶體管中的電子就很容易產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，晶體管將變得不再可靠，芯片的制造面臨巨大的挑戰(zhàn)。

為了解決這個問題，讓摩爾定律還可以繼續(xù)保持生機與活力，產(chǎn)業(yè)界和科學(xué)界的有識之士們開始尋找新的材料，這些材料的目標(biāo)就是取代硅，生產(chǎn)出尺寸更小、性能更佳的晶體管。

但是，這些方案目前也都僅限于實驗室研究階段，目前尚未找到能在產(chǎn)業(yè)內(nèi)大規(guī)模量產(chǎn)商用的、可以完全替代硅的晶體管材料。

盡管如此，科學(xué)家在探索取代硅的新材料方面，還是付出了很多努力。筆者在以往的文章中作過許多相關(guān)介紹，這里帶大家回顧一下：

• 《半導(dǎo)體領(lǐng)域革命性突破：史上最小的1納米晶體管誕生》一文中曾介紹過美國勞倫斯伯克利國家實驗室利用納米碳管和二硫化鉬（MoS2）研制出全球最小的晶體管，其晶體管制程僅有1納米。

具有二硫化鉬和1納米的碳納米管門電路的晶體管示意圖。

(圖片來源于: Sujay Desai/加州大學(xué)伯克利分校)

• 《黑磷將掀起另一波的微小晶體管潮流》一文中曾經(jīng)介紹過，黑磷有望成為晶體管的一種非常好的備選材料。

黑磷的折疊蜂巢晶體結(jié)構(gòu)示意圖。

(圖片來源于: Vahid Tayari/麥吉爾大學(xué))

• 《重磅：科學(xué)家利用二維納米材料噴墨打印晶體管！》一文中，介紹了愛爾蘭科學(xué)家利用二維材料（石墨烯、二硒化鎢、氮化硼）噴墨打印晶體管。

（圖片來源于：都柏林大學(xué)圣三一學(xué)院）

• 《新型柔性微處理器：由超薄二維材料二硫化鉬制成！》介紹過維也納技術(shù)大學(xué)的科研團隊和歐盟石墨烯旗艦項目的科研人員合作，制造出一種由二維材料二硫化鉬（MoS2）制成的晶體管。

（圖片來源于: Stefan Wachter/維也納技術(shù)大學(xué))

• 《新型石墨烯光電晶體管：有望用于檢測輻射！》一文中介紹了美國普渡大學(xué)的研究人員將石墨烯和碳化硅基質(zhì)相結(jié)合，設(shè)計出了新型石墨烯場效應(yīng)管。

（圖片來源于: Erin Easterling/普渡大學(xué)）

• 《新型石墨烯復(fù)合材料：未來電子設(shè)備將更便宜、耐用、輕便！》一文中不僅介紹了石墨烯、C60、六方氮化硼組成的復(fù)合材料，而且還提到了過渡金屬硫化物（TMDs），它可以克服石墨烯缺少帶隙的問題，其帶隙可以和硅相比，有望制成真正的晶體管。

另外，英國曼徹斯特大學(xué)和諾丁漢大學(xué)研發(fā)現(xiàn)的硒化銦(InSe)晶體，也是一種十分優(yōu)秀的新材料，只有幾個原子厚，幾乎和石墨烯一樣薄。然而，不同于石墨烯，它與硅類似具有大的帶隙，可以方便控制晶體管的開關(guān)。

以上的這些案例，我們可以看出：

雖然硅基半導(dǎo)體的發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)，但是這些年，科學(xué)家們一直都在積極探尋取代硅的候選材料。

創(chuàng)新

今天，我要給大家介紹的創(chuàng)新技術(shù)，又是一次取代“硅”的新嘗試。最近，美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分?？茖W(xué)家設(shè)計出一種新型的計算機器件：全碳自旋邏輯器件，完全由碳構(gòu)成，采用了自旋電子學(xué)原理。它的尺寸比硅晶體管更小，性能卻更佳，未來有望取代硅晶體管。

這種全碳自旋邏輯器件的方案，在線發(fā)表于6月5日的《自然通信》雜志，論文首作者是德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校電子與計算機工程的助理教授 Joseph S. Friedman ，另外還有其他幾位合著者。

技術(shù)

眾所周知，電子具有兩個重要的非常重要的屬性：電荷和自旋。但是，現(xiàn)代微電子技術(shù)往往都是利用了電子的電荷屬性，而忽視了電子的自旋特性。

電子攜帶電荷，電荷的定向移動形成電流。傳統(tǒng)的電子計算機，一般都是通過電子設(shè)備和導(dǎo)線之間的電流，傳輸和處理相關(guān)數(shù)據(jù)信息。然而，電流遇到電阻會產(chǎn)生熱量，這一點影響了電子設(shè)備的性能。

1925年由G.E.烏倫貝克和S.A.古茲密特受到泡利不相容原理的啟發(fā)，分析原子光譜的一些實驗結(jié)果，提出電子具有自旋的特性，以及與電子自旋相聯(lián)系的自旋磁矩。從此，人們開始認(rèn)識到電子自旋的特性，并且逐步開始研究它。1980年，科學(xué)家在固態(tài)器件中發(fā)現(xiàn)了與電子自旋有關(guān)的電子輸運現(xiàn)象，于是便開始出現(xiàn)了自旋電子學(xué)。

自旋電子學(xué) (Spintronics)，利用了電子的自旋和磁矩，使固體器件中除電荷輸運外，還加入電子的自旋和磁矩。自旋電子學(xué)的應(yīng)用包括：硬盤磁頭、磁性隨機內(nèi)存、自旋場發(fā)射晶體管、自旋發(fā)光二極管等等。自旋電子器件相比于微電子器件，具有存儲密度高、能耗低、響應(yīng)快等多種優(yōu)點。

今天介紹的這項創(chuàng)新技術(shù)，原理就是來自自旋電子學(xué)。它是一種全碳的自旋電子學(xué)開關(guān)，功能上就是就像一個邏輯門。

它依賴于電磁學(xué)的基本原理：當(dāng)電流通過一根電線時，會在其周圍產(chǎn)生相應(yīng)的磁場。另外，靠近二維碳原子帶（也稱為“石墨烯納米帶”）的磁場，會影響到流過這個帶的電流。

磁阻的石墨烯納米帶位于碳納米管上，如同拉鏈解開的形式存在著。它受到兩條平行的碳納米管的控制。當(dāng)所有的電壓恒定時，所有的電流都是單向的。輸入碳納米管的控制電流ICTRL 的量級和相對方向，決定了磁場B和石墨烯碳納米帶的邊緣磁化，以及輸出的電流IGNR。 如下圖所示：

（圖片來源于:參考資料【2】）

傳統(tǒng)的硅基計算機中的晶體管，是無法利用這一現(xiàn)象的。相反，它們之間通過電線連接。一個晶體管的輸出，通過線連接到另外一個晶體管，作為其輸入，依此類推以一種級聯(lián)的方式連接。

然而，在Friedman設(shè)計的自旋電子電路中，電子通過碳納米管時，會產(chǎn)生一個磁場。這種磁場會影響到附近石墨烯納米帶中的電流，從而產(chǎn)生出一種之間實際沒有通過物理上的線進(jìn)行連接的級聯(lián)邏輯門。

價值

由于石墨烯碳納米帶之間的通信，是通過電磁波而產(chǎn)生，而不是由于電子的物理運動而產(chǎn)生，所以研究人員希望這種通信可以更加快速，能夠達(dá)到太赫茲的時鐘頻率。另外，這些碳基的晶體管能夠比硅基的更小，而目前硅基的晶體管由于其材料屬性，尺寸已經(jīng)接近其物理極限，難以進(jìn)一步縮小。

雖然目前這個概念仍然處于設(shè)計階段，但是研究人員將繼續(xù)朝著一種全碳的、級聯(lián)自旋電子計算機系統(tǒng)的目標(biāo)前進(jìn)。

參考資料

【1】http://www./news/2017/6/5-32589_Engineer-Unveils-New-Spin-on-Future-of-Transistors_story-wide.html?WT.mc_id=NewsHomePageCenterColumn

【2】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms15635

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