本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自phys

麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)已用磁性半導(dǎo)體取代硅，創(chuàng)造出一種磁性晶體管，可以實(shí)現(xiàn)更小、更快、更節(jié)能的電路。

晶體管是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基石，通常由硅制成。由于硅是一種半導(dǎo)體，這種材料可以控制電路中的電流。但硅的基本物理限制限制了晶體管的緊湊性和能效。

麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)已用磁性半導(dǎo)體取代硅，創(chuàng)造出一種磁性晶體管，可以實(shí)現(xiàn)更小、更快、更節(jié)能的電路。這種材料的磁性強(qiáng)烈影響著其電子行為，從而更有效地控制電流。

該團(tuán)隊(duì)采用了一種新型磁性材料和優(yōu)化工藝，減少了材料的缺陷，從而提高了晶體管的性能。

該材料獨(dú)特的磁性還允許晶體管內(nèi)置內(nèi)存，這將簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)并開啟高性能電子產(chǎn)品的新應(yīng)用。

“人們對(duì)磁鐵的認(rèn)識(shí)已有數(shù)千年，但將磁性融入電子產(chǎn)品的方法卻非常有限。我們展示了一種有效利用磁性的新方法，為未來(lái)的應(yīng)用和研究開辟了許多可能性?！甭槭±砉W(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系（EECS）和物理系研究生、此項(xiàng)進(jìn)展論文的共同第一作者Chung-Tao Chou說(shuō)道。

一起撰寫這篇論文的還有材料科學(xué)與工程系 (DMSE) 研究生尤金·帕克 (Eugene Park)、DMSE 研究科學(xué)家朱利安·克萊因 (Julian Klein)、麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心博士后何塞普·英格拉·艾恩斯 (Josep Ingla-Aynes)、物理系高級(jí)研究科學(xué)家 Jagadeesh S. Moodera，資深作者 DMSE TDK 教授弗朗西斯·羅斯 (Frances Ross)等。

突破極限

在電子設(shè)備中，硅半導(dǎo)體晶體管就像微型電燈開關(guān)，可以控制電路的通斷，或在通信系統(tǒng)中放大微弱信號(hào)。它們只需很小的輸入電壓就能實(shí)現(xiàn)這些功能。

但硅半導(dǎo)體的基本物理限制使得晶體管無(wú)法在低于一定電壓的情況下工作，從而影響了其能源效率。

為了制造更高效的電子產(chǎn)品，研究人員花費(fèi)了數(shù)十年時(shí)間研發(fā)利用電子自旋控制電流的磁性晶體管。電子自旋是一種基本特性，它使電子能夠像微型磁鐵一樣運(yùn)動(dòng)。

到目前為止，科學(xué)家們大多局限于使用某些磁性材料。這些材料缺乏半導(dǎo)體的良好電子特性，從而限制了設(shè)備的性能。

研究人員用溴化鉻硫（一種充當(dāng)磁性半導(dǎo)體的二維材料）取代晶體管表面層的硅。由于該材料的結(jié)構(gòu)，研究人員可以非常清晰地在兩種磁狀態(tài)之間切換。這使得它非常適合用于在“開”和“關(guān)”之間平穩(wěn)切換的晶體管。

“我們面臨的最大挑戰(zhàn)之一是找到合適的材料。我們嘗試了許多其他材料，但都沒有成功，”研究人員說(shuō)。

他們發(fā)現(xiàn)，改變這些磁狀態(tài)會(huì)改變材料的電子特性，從而實(shí)現(xiàn)低能量運(yùn)行。與許多其他二維材料不同，溴化鉻硫在空氣中保持穩(wěn)定。

為了制造晶體管，研究人員將電極圖案化到硅基板上，然后小心地對(duì)準(zhǔn)并轉(zhuǎn)移二維材料到上面。他們用膠帶拾取一小塊厚度只有幾十納米的材料，并將其放置在基板上?！昂芏嘌芯咳藛T會(huì)使用溶劑或膠水來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，但晶體管需要非常干凈的表面。我們通過(guò)簡(jiǎn)化這一步驟消除了所有這些風(fēng)險(xiǎn)，”。

利用磁性

這種無(wú)污染的特性使他們的設(shè)備性能優(yōu)于現(xiàn)有的磁性晶體管。大多數(shù)其他設(shè)備只能產(chǎn)生微弱的磁效應(yīng)，對(duì)電流的改變只有幾個(gè)百分點(diǎn)甚至更少。而他們的新晶體管可以將電流切換或放大10倍。

他們利用外部磁場(chǎng)來(lái)改變材料的磁性狀態(tài)，從而以比通常所需少得多的能量來(lái)切換晶體管。

這種材料還能讓他們利用電流控制磁狀態(tài)。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)楣こ處煙o(wú)法將磁場(chǎng)施加到電子設(shè)備中的單個(gè)晶體管上。他們需要用電來(lái)控制每一個(gè)晶體管。

該材料的磁性還可以使晶體管具有內(nèi)置內(nèi)存，從而簡(jiǎn)化邏輯或內(nèi)存電路的設(shè)計(jì)。

典型的存儲(chǔ)設(shè)備由一個(gè)磁性單元和一個(gè)晶體管組成，前者用于存儲(chǔ)信息，后者用于讀取信息。而他們的方法可以將兩者結(jié)合到一個(gè)磁性晶體管中。

“現(xiàn)在，晶體管不僅能開關(guān)，還能記憶信息。而且由于我們能以更大的幅度切換晶體管，信號(hào)也更強(qiáng)，所以我們可以更快、更可靠地讀取信息，”研究人員說(shuō)。

基于此次演示，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步研究利用電流控制該設(shè)備。他們還在努力使該方法具有可擴(kuò)展性，以便制造晶體管陣列。

*聲明：本文系原作者創(chuàng)作。文章內(nèi)容系其個(gè)人觀點(diǎn)，我方轉(zhuǎn)載僅為分享與討論，不代表我方贊成或認(rèn)同，如有異議，請(qǐng)聯(lián)系后臺(tái)。