計算機可能會變得越來越小、功能越來越強，但它們需要大量的能源來運行。在過去十年時間中，美國用於計算的能源總量急劇上升並迅速接近其他主要部門如交通部門。
於當地時間4月6日在線發表在《自然》上的一項研究中，加州大學伯克利分校的工程師們描述了在晶體管–構成計算機構件的微小電子開關–的設計中的一項重大突破，它可以在不犧牲速度、尺寸或性能的情況下大大降低其能源消耗。該元件被稱為閘極氧化層，其在晶體管的開關中起着關鍵作用。
“我們已經能夠證明，我們的閘極氧化層技術比市面上的晶體管更好，”這項研究的論文高級作者、加州大學伯克利分校台積電電氣工程和計算機科學特聘教授Sayeef Salahuddin說道，“今天價值數萬億美元的半導體行業所能做到的–我們基本上可以擊敗他們。
據悉，這種效率的提高是通過一種叫做負電容的效應實現的，它有助於減少在材料中儲存電荷所需的電壓。Salahuddin在2008年從理論上預測了負電容的存在，另外還在2011年首次在一個鐵電晶體中展示了這種效應。
這項新研究顯示了如何在一種由氧化鉿和氧化鋯的分層堆疊組成的工程晶體中實現負電容，這種晶體非常容易跟先進的硅晶體兼容。通過將這種材料納入模型晶體管，該研究展示了負電容效應如何能大大降低控制晶體管所需的電壓量並因此降低計算機所消耗的能源量。
Salahuddin表示：“在過去的10年裡，用於計算的能源成倍增長已經佔到世界能源生產的個位數百分比，而這一增長只是線性的，沒有盡頭。通常情況下，當我們使用電腦和手機時，我們不會想到我們正在使用多少能源。但這是一個巨大的數量，而且它只會上升。我們的目標是減少計算的這一基本構件的能源需求，因為這將降低整個系統的能源需求。”
將負電容帶入現實技術
最先進的筆記本電腦和智能手機包含數以百億計的微小硅晶體管，而每個晶體管都必須通過施加電壓來控制。柵極氧化物是一層薄薄的材料，進而將施加的電壓轉化為電荷，然後開關晶體管。
負電容可以通過減少實現特定電荷所需的電壓量來提高柵極氧化物的性能。但這種效果不能在任何材料中實現。創造負電容需要仔細操縱一種叫做鐵電性的材料特性，當一種材料表現出自發的電場時就會出現這種情況。以前，這種效果只在被稱為過氧化物的鐵電材料中實現，而過氧化物的晶體結構跟硅不兼容。
在這項研究中，研究小組表明，通過將氧化鉿和氧化鋯結合在一個被稱為超晶格的工程晶體結構中也可以實現負電容，並且還能讓鐵電性和反鐵電性同時存在。
研究論文的共同第一作者、加州大學伯克利分校的博士后研究員Suraj Cheema表示：“我們發現這種組合實際上給我們帶來了更好的負電容效應，這表明這種負電容現象比原來想象的要廣泛得多。負電容不僅僅發生在鐵電體跟電介質的傳統畫面中，這也是過去十年來研究的內容。實際上，你可以通過設計這些晶體結構來利用反鐵電性和鐵電性，從而使其效果更強。”
研究人員發現，由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兩納米，這提供了最佳的負電容效應。由於大多數最先進的硅晶體管已經使用了由二氧化硅上面的氧化鉿組成的兩納米二氧化鋯 ，並且由於氧化鋯也被用於硅技術，這些超晶格結構可以很容易地被集成到先進的晶體管中。
為了測試超晶格結構作為二氧化鋯的性能表現，該團隊製作了短通道晶體管並測試了它們的能力。跟現有的晶體管相比，這些晶體管需要的電壓將減少約30%，以此同時還能保持半導體行業的基準且不損失可靠性。
“我們在這種類型的研究中經常看到的一個問題是，我們可以證明材料中的各種現象，但這些材料跟先進的計算材料不兼容，因此我們無法將好處帶到真正的技術中.這項工作將負電容從一個學術課題轉變為可以真正用於先進晶體管的東西。”