硅晶体管将被取代？全碳自旋电子器件更加小而快！

导读

最近，美国德克萨斯大学达拉斯分校科学家设计出一种新型计算机器件：全碳自旋逻辑器件，完全由碳构成，采用了自旋电子学原理。它的尺寸比硅晶体管更小，性能却更佳，未来有望取代硅晶体管。

关键字

晶体管、碳纳米管、石墨烯、电子自旋、半导体

背景

计算机和半导体技术发展的过程中，有一个元器件扮演着至关重要的作用，它就是晶体管。晶体管是一种固体半导体器件，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能，通常用作放大器和电控开关。

（图片来源于: 维基百科）

晶体管，是人类现代历史中最伟大的发明之一。现代电子设备例如电脑、智能手机、智能硬件等等，都离不开晶体管。在集成电路技术出现后，大量的晶体管可以被封装在一片指甲盖大小的芯片内。这种晶体管由源极、漏极和位于它们之间的栅极所组成，电流从源极流入漏极，栅极则起到控制电流开关的作用。

著名的摩尔定律曾经指出：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。

所以，随着半导体技术的进步，晶体管的尺寸在不断缩小，而芯片的制程一直都在提高，从28纳米到22纳米，16纳米，14纳米等，最近有消息称台积电正在测试7纳米制程。因此，单颗芯片上可以容纳的晶体管数不断增加，如今最先进的芯片上容纳的晶体管数已经达到几十亿、甚至上百亿。

然而，近些年来晶体管尺寸的缩小和数量的增加正在放缓，或者说遭遇了瓶颈，即摩尔定律正面临危机和挑战。那么，为什么会发生这种状况呢？

众所周知，传统的晶体管主要都是由硅材料制成的。对于硅基晶体管来说，7纳米堪称物理极限。一旦晶体管的尺寸低于这个数字，正如笔者曾在《摩尔定律，是生存还是毁灭？》一文所介绍的：

电子的行为将受限于量子的不确定性，晶体管中的电子就很容易产生隧穿效应，晶体管将变得不再可靠，芯片的制造面临巨大的挑战。

为了解决这个问题，让摩尔定律还可以继续保持生机与活力，产业界和科学界的有识之士们开始寻找新的材料，这些材料的目标就是取代硅，生产出尺寸更小、性能更佳的晶体管。

但是，这些方案目前也都仅限于实验室研究阶段，目前尚未找到能在产业内大规模量产商用的、可以完全替代硅的晶体管材料。

尽管如此，科学家在探索取代硅的新材料方面，还是付出了很多努力。笔者在以往的文章中作过许多相关介绍，这里带大家回顾一下：

• 《半导体领域革命性突破：史上最小的1纳米晶体管诞生》一文中曾介绍过美国劳伦斯伯克利国家实验室利用纳米碳管和二硫化钼（MoS2）研制出全球最小的晶体管，其晶体管制程仅有1纳米。

具有二硫化钼和1纳米的碳纳米管门电路的晶体管示意图。

(图片来源于: Sujay Desai/加州大学伯克利分校)

• 《黑磷将掀起另一波的微小晶体管潮流》一文中曾经介绍过，黑磷有望成为晶体管的一种非常好的备选材料。

黑磷的折叠蜂巢晶体结构示意图。

(图片来源于: Vahid Tayari/麦吉尔大学)

• 《重磅：科学家利用二维纳米材料喷墨打印晶体管！》一文中，介绍了爱尔兰科学家利用二维材料（石墨烯、二硒化钨、氮化硼）喷墨打印晶体管。

（图片来源于：都柏林大学圣三一学院）

• 《新型柔性微处理器：由超薄二维材料二硫化钼制成！》介绍过维也纳技术大学的科研团队和欧盟石墨烯旗舰项目的科研人员合作，制造出一种由二维材料二硫化钼（MoS2）制成的晶体管。

（图片来源于: Stefan Wachter/维也纳技术大学)

• 《新型石墨烯光电晶体管：有望用于检测辐射！》一文中介绍了美国普渡大学的研究人员将石墨烯和碳化硅基质相结合，设计出了新型石墨烯场效应管。

（图片来源于: Erin Easterling/普渡大学）

• 《新型石墨烯复合材料：未来电子设备将更便宜、耐用、轻便！》一文中不仅介绍了石墨烯、C60、六方氮化硼组成的复合材料，而且还提到了过渡金属硫化物（TMDs），它可以克服石墨烯缺少带隙的问题，其带隙可以和硅相比，有望制成真正的晶体管。

另外，英国曼彻斯特大学和诺丁汉大学研发现的硒化铟(InSe)晶体，也是一种十分优秀的新材料，只有几个原子厚，几乎和石墨烯一样薄。然而，不同于石墨烯，它与硅类似具有大的带隙，可以方便控制晶体管的开关。

以上的这些案例，我们可以看出：

虽然硅基半导体的发展面临重大挑战，但是这些年，科学家们一直都在积极探寻取代硅的候选材料。

创新

今天，我要给大家介绍的创新技术，又是一次取代“硅”的新尝试。最近，美国德克萨斯大学达拉斯分校科学家设计出一种新型的计算机器件：全碳自旋逻辑器件，完全由碳构成，采用了自旋电子学原理。它的尺寸比硅晶体管更小，性能却更佳，未来有望取代硅晶体管。

这种全碳自旋逻辑器件的方案，在线发表于6月5日的《自然通信》杂志，论文首作者是德克萨斯大学达拉斯分校电子与计算机工程的助理教授 Joseph S. Friedman ，另外还有其他几位合著者。

技术

众所周知，电子具有两个重要的非常重要的属性：电荷和自旋。但是，现代微电子技术往往都是利用了电子的电荷属性，而忽视了电子的自旋特性。

电子携带电荷，电荷的定向移动形成电流。传统的电子计算机，一般都是通过电子设备和导线之间的电流，传输和处理相关数据信息。然而，电流遇到电阻会产生热量，这一点影响了电子设备的性能。

1925年由G.E.乌伦贝克和S.A.古兹密特受到泡利不相容原理的启发，分析原子光谱的一些实验结果，提出电子具有自旋的特性，以及与电子自旋相联系的自旋磁矩。从此，人们开始认识到电子自旋的特性，并且逐步开始研究它。1980年，科学家在固态器件中发现了与电子自旋有关的电子输运现象，于是便开始出现了自旋电子学。

自旋电子学 (Spintronics)，利用了电子的自旋和磁矩，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩。自旋电子学的应用包括：硬盘磁头、磁性随机内存、自旋场发射晶体管、自旋发光二极管等等。自旋电子器件相比于微电子器件，具有存储密度高、能耗低、响应快等多种优点。

今天介绍的这项创新技术，原理就是来自自旋电子学。它是一种全碳的自旋电子学开关，功能上就是就像一个逻辑门。

它依赖于电磁学的基本原理：当电流通过一根电线时，会在其周围产生相应的磁场。另外，靠近二维碳原子带（也称为“石墨烯纳米带”）的磁场，会影响到流过这个带的电流。

磁阻的石墨烯纳米带位于碳纳米管上，如同拉链解开的形式存在着。它受到两条平行的碳纳米管的控制。当所有的电压恒定时，所有的电流都是单向的。输入碳纳米管的控制电流ICTRL 的量级和相对方向，决定了磁场B和石墨烯碳纳米带的边缘磁化，以及输出的电流IGNR。 如下图所示：

（图片来源于:参考资料【2】）

传统的硅基计算机中的晶体管，是无法利用这一现象的。相反，它们之间通过电线连接。一个晶体管的输出，通过线连接到另外一个晶体管，作为其输入，依此类推以一种级联的方式连接。

然而，在Friedman设计的自旋电子电路中，电子通过碳纳米管时，会产生一个磁场。这种磁场会影响到附近石墨烯纳米带中的电流，从而产生出一种之间实际没有通过物理上的线进行连接的级联逻辑门。

价值

由于石墨烯碳纳米带之间的通信，是通过电磁波而产生，而不是由于电子的物理运动而产生，所以研究人员希望这种通信可以更加快速，能够达到太赫兹的时钟频率。另外，这些碳基的晶体管能够比硅基的更小，而目前硅基的晶体管由于其材料属性，尺寸已经接近其物理极限，难以进一步缩小。

虽然目前这个概念仍然处于设计阶段，但是研究人员将继续朝着一种全碳的、级联自旋电子计算机系统的目标前进。

参考资料

【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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