经过工程改造的晶体可以帮助计算机以更低的功耗运行

计算机正在被制造得更小更强大，但它们需要大量的能量来运行。专家表示，过去10年，美国人用于计算的总能量有所上升，正迅速接近交通等其他主要行业的能源总量。

但是加州大学伯克利分校(UC)的工程师们报告说，他们在晶体管组件的设计上取得了突破，这种晶体管是构成计算机构件的微小电子开关，可以在不牺牲速度、尺寸或性能的情况下显著降低计算机的能源消耗。

根据研究人员的说法，这种叫做栅氧化物的元件在晶体管的开关中“起着关键作用”。

该大学电气工程和计算机科学教授Sayeef Salahuddin说:“我们已经能够证明我们的栅极氧化物技术比市售晶体管更好。”“万亿美元的半导体产业今天能做什么——我们基本上可以击败他们。”

一种被称为负电容的效应使这种效率的提高成为可能。Salahuddin于2008年从理论上预测了负电容的存在，并于2011年首次在铁电晶体中证明了这一效应。

研究人员说，这项新研究展示了开发人员如何在由氧化铪和氧化锆分层堆叠组成的工程晶体中实现负电容，这种晶体很容易与先进的硅晶体管兼容。

通过将这种材料整合到模型晶体管中，研究表明负电容效应可以显著降低控制晶体管所需的电压，从而降低计算机消耗的能量。

萨拉赫丁说:“在过去的10年里，用于计算的能量呈指数级增长，已经占到世界能源生产的个位数百分比，而世界能源生产只是线性增长，看不到尽头。”“通常，当我们使用电脑和手机时，我们不会考虑我们使用了多少能源。但这是一个巨大的数字，而且只会继续上升。”

他补充说，该团队的目标是减少这种基本计算构件的能源需求，因为这降低了整个系统的能源需求。

研究人员说，负电容可以通过降低获得给定电荷所需的电压来提高栅氧化物的性能。但这种效果不是任何材料都能达到的。但他们强调，制造负电容需要仔细操纵一种被称为铁电性的材料特性，当材料表现出自发电场时，就会发生铁电性。

在这项研究中，研究小组还通过将氧化铪和氧化锆结合在一种被称为超晶格的工程晶体结构中，从而实现了负电容，从而同时实现了铁电性和反铁电性。

“我们发现这种组合实际上给了我们更好的负电容效应，这表明这种负电容现象比最初想象的要广泛得多，”加州大学伯克利分校的博士后研究员苏拉·奇马(Suraj Cheema)说。

“负电容不仅出现在具有电介质的铁电体的传统图像中，这是过去十年研究的内容。实际上，你可以通过设计这些晶体结构来利用反铁电性和铁电性，从而使效果更强。”

研究人员还发现，由三层氧化锆原子层夹在两层氧化铪单原子层之间的超晶格结构，总厚度小于2nm，提供了最佳的负电容效应。

据该团队介绍，由于大多数硅晶体管已经在二氧化硅上使用了由氧化铪组成的2nm栅极氧化物，而且由于氧化锆也用于硅技术，这些超晶格结构可以很容易地集成到高级晶体管中。

为了测试超晶格结构作为栅极氧化物的性能，研究小组制作了短通道晶体管并测试了它们的性能。与现有晶体管相比，这些晶体管需要的电压降低了30%左右，同时保持半导体行业的基准，并且可靠性没有下降。

Salahuddin说:“我们在这类研究中经常看到的一个问题是，我们可以在材料中展示各种现象，但这些材料与先进的计算材料不兼容，因此我们不能为真正的技术带来好处。”“这项工作将负电容从一个学术话题转变为可以实际用于先进晶体管的东西。”