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二氧化釩有助於提升電晶體能效?

上網時間: 2015年10月22日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:材料  二氧化釩  電晶體  VO2  絕緣體 

美國賓州大學(Penn State)的材料科學家採用一種將二氧化釩結合於電子元件的新技術,發現了可提升電晶體效能的新方法。

「目前的電晶體技術難以取代,因為半導體己經進展得如此有聲有色,」賓州大學材料科學與工程系助理教授Roman Engel-Herbert解釋。「但還有一些材料,如二氧化釩可以添加在現有的元件中,使其效能表現更好。」

研究人員們已經知二氧化釩有一種不尋常的特性稱為「金屬-絕緣體轉變」。在金屬狀態下,電子可自由移動,但在絕緣狀態下則無法流動。二氧化釩天生具有開/關轉換特性,這同時也是電腦邏輯和記憶體的基礎。

研究人員認為,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定度能源效率,以及維護資訊狀態。不過,他們面臨的主要挑戰是無法在產業所需的規模(晶圓級)上以薄膜的形式生長出足夠高品質的二氧化釩。

雖然二氧化釩看起來很簡單,但卻難以合成。為了創造出精確的金屬-絕緣體轉變,釩與氧的比例必須精確地加以控制。當二者的比例控制得宜,材料就會在電阻方面表現超過四個數量級的改變,足以進行強大的開/關響應。


VO 2的晶體結構圖,顯示在整個金屬-絕緣體轉變過程中,釩(黑色箭頭處)相對於氧離子的運動。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)

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

這種二氧化釩還可以讓現有的記憶體技術受惠,這正是賓州大學研究人員正在積極進行的任務。

「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的非揮發性記憶器,有趣的是,它也可以在一些記憶體架構作為選擇器,」賓州大學電子工程系教授兼積體電路與元件實驗室負責人Sumeet Gupta表示。

選擇器可以確保記憶體晶片上的讀取或寫入資訊都在單一個記憶體單完成,而不至於影響鄰近單元。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揮很好的效果。此外,二氧化釩的電阻值可用於增加讀取作業的穩定度。

「為了確定釩與氧的最佳比例,我們並未採用常規途徑,而是在整個藍寶石晶圓上同時用各種不同釩-氧比例來沈積二氧釩,」Engel-Herbert的學生Hai-Tian Zhang表示。「透過採用各種比例的釩-氧,我們得以執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於為產業應用快速鑑定最佳的生長條件,避免冗長的反覆試驗。」

賓州大學的研究人員已經與聖母大學(Notre Dame)合作 ,利用這種生長二氧化釩薄膜材料的方法,製造出超高頻開關了。這些開關顯示出較傳統元件更高出一個數量級的截止頻。這項研究將在2015年12月的IEEE國際電子元件會議上發表。

「我們開始體認到,具有這些開/關響應的材料類型可望讓資訊科技的許多方面受益,例如提高穩定度、讀/寫的能效,以及在記憶體、邏輯與通訊元件中的運算作業,」Engel-Herber說,「當你能以晶圓級製造出高品質的二氧化,人們就會有更多很棒的點子來善加利用。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Can vanadium dioxide give transistors a power boost?,by Paul Buckley)





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