三合一可变形半导体器件替代摩尔定律

在半导体工业中，目前主要存在一种提升设备速度和效率的策略：根据摩尔定律，比例缩小器件规模使得在计算机芯片中集成更多晶体管。但是，计算机芯片中的晶体管数目不可能永远保持指数级增长，这就促使研究者寻找其他的改进半导体技术的方法。

#补充一下，摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

在一项发表在纳米技术的新研究中，位于纽约奥尔巴尼的纽约州立大学(SUNY)工业学院的研究者表明，将多种功能结合到单个半导体器件中能提升设备功能并降低制造复杂性，由此提供了一种不同于比例缩小设备规模来提升功能的替代选择。

嗯，图上的文字并非我的原话啊，有误差有误差。credit: 煎蛋画师花听

为了进行演示，研究者设计并制造了一种可重构器件。这种器件可变形成为三种基本半导体器件：pn二极管(功能是整流器，将交流电转变为直流电)，MOSFET即金属氧化物半导体场效电晶体(开关)以及双极性晶体管(或者叫BJT，用于电流放大)。

共同作者Ji Ung Lee说道：“我们成功利用单个可重构器件演示了三个最重要的半导体器件(pn二极管，MOSFET以及BJT)。虽然可以利用现代半导体生产设备单独制造这几种器件，但如果要将它们结合起来则需要复杂的集成方案，而我们现在却能制造一种实现三种器件功能的设备。”

这种多功能器件由二维二硒化钨构成(WSe2)，这是一种近期发现的过渡金属双硫分子配合物半导体。通过控制其厚度就能调整其能带隙，并且在单层形式下具有直接能隙，因此在电子应用方面极具潜力。能带隙是二维过渡金属双硫分子配合物相比零能带隙石墨烯的优势之一。

为了将多种功能集成到单个器件中，研究者研发了一种新的掺杂技术。由于WSe2是一种新材料，目前尚缺乏相应的掺杂技术。通过掺杂，研究者能实现诸如双极性传导等性能，即在不同条件下能传导电子和空穴。掺杂技术还意味着所有三种功能都是表面传导器件，这就提供了一种评估其性能的单一直接方式。

Lee说道：“相比使用只能形成固定器件的传统半导体制造技术，我们使用栅极进行掺杂。这些携带(电子或空穴)流过半导体的栅极能动态变化。这种变化的能力使得这种可重构器件实现了多种功能。”

“除了实现这些器件功能，这种可重构器件还能潜在更简洁和有效地实现特定逻辑功能。这是因为增加栅极能节省整体面积，使计算更具效率。”

研究者计划未来进一步研究这种多功能器件的应用。

Lee说道：“我们希望利用比目前半导体制造过程更少的基本器件建立复杂的计算机电路。这将证实我们器件在后CMOS时代的可扩展性。”

论文原文： DOI: 10.1088/1361-6528/aa7350

本文译自 phys，由 CliffBao 编辑发布。 Lisa Zyga