美造出超小型單電子晶體管 組件直徑1.5納米

由美國(guó)匹茲堡大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組日前宣布，他們制造出了一種核心組件直徑只有1.5納米的超小型單電子晶體管。該裝置是制造下一代低功耗、高密度超大規(guī)模集成電路理想的基本器件，具有極為廣泛的應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《自然·納米技術(shù)》雜志上。

單電子晶體管是用一個(gè)或幾個(gè)電子就能記錄信號(hào)的晶體管，其尺度都處于納米級(jí)別。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，電子元件的尺寸越來(lái)越小，由單電子晶體管組成的電路日益受到研究人員的青睞，其高靈敏度的特性和獨(dú)特的電氣性能使其成為未來(lái)隨機(jī)存儲(chǔ)器和高速處理器制造材料的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

據(jù)研究人員介紹，這種新型單電子晶體管的核心組件是一個(gè)直徑只有1.5納米的庫(kù)倫島，另外還有一兩個(gè)電子負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行記錄。負(fù)責(zé)該項(xiàng)研究的匹茲堡大學(xué)文理學(xué)院物理學(xué)和天文學(xué)教授杰里米·利維稱(chēng)，該晶體管未來(lái)可用于研制具有超密存儲(chǔ)功能的量子處理器。這種處理器將能輕松應(yīng)對(duì)那些讓目前全世界所有的計(jì)算機(jī)同時(shí)工作數(shù)年也計(jì)算不完的復(fù)雜問(wèn)題。同時(shí)因其中央的庫(kù)倫島可以被當(dāng)作人工原子，該晶體管還可用來(lái)制造自然界原本并不存在的新型超導(dǎo)材料。

利維和其同事將這種超小型單電子晶體管命名為“SketchSET”。原因在于這項(xiàng)技術(shù)受到了一種名為蝕刻素描畫(huà)板（Etch A Sketch）的啟發(fā)，這種晶體管的制造原理也與其類(lèi)似。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)原子力顯微鏡，研究人員用一種極為尖銳的電導(dǎo)探針就能在鈦酸鍶晶體界面上用1.2納米厚的一層鋁酸鑭“蝕刻”出所需的晶體管。

據(jù)介紹，SketchSET是第一個(gè)完全由氧化物制成的單電子晶體管，并且其庫(kù)倫島內(nèi)能容納兩個(gè)電子。經(jīng)過(guò)庫(kù)倫島的電子數(shù)量可以是0、1或2，而不同數(shù)量的電子將決定其具有怎樣的導(dǎo)電性能。

利維表示，這種單電子晶體管對(duì)電荷極為敏感，且所使用的氧化物材料具有鐵電效應(yīng)，該晶體管還可制成固態(tài)存儲(chǔ)器，即便沒(méi)有外部電源，該晶體管存儲(chǔ)器也不會(huì)丟失此前存儲(chǔ)的信息。此外，這種晶體管對(duì)壓力變化也極為敏感，根據(jù)這一特性可用其來(lái)制成納米尺度的高靈敏度壓力傳感設(shè)備。

1959年一個(gè)芯片上只能放一個(gè)晶體管，今天家用計(jì)算機(jī)微處理器上的晶體管數(shù)量已達(dá)11.7億，是半導(dǎo)體材料支撐起了電子計(jì)算機(jī)時(shí)代。下一代計(jì)算機(jī)如何發(fā)展？無(wú)論是基于單電子晶體管的量子計(jì)算機(jī)，還是基于蛋白質(zhì)技術(shù)的生物計(jì)算機(jī)，我們還是要從新材料上找答案。當(dāng)前已經(jīng)有多種單電子晶體管研制出來(lái)，也許這些方案將來(lái)都派不上用場(chǎng)，然而每次實(shí)驗(yàn)都會(huì)向成功邁進(jìn)一步，最后開(kāi)啟計(jì)算機(jī)新時(shí)代的新材料一定會(huì)在這些實(shí)驗(yàn)中脫穎而出。