二氧化钒有助于提升晶体管能效？

美国宾州大学(Penn State)的材料科学家采用一种将二氧化钒结合于电子元件的新技术，发现了可提升电晶体效能的新方法。

“目前的电晶体技术难以取代，因为半导体己经进展得如此有声有色，”宾州大学材料科学与工程系助理教授Roman Engel-Herbert解释。“但还有一些材料，如二氧化钒可以添加在现有的元件中，使其效能表现更好。”

研究人员们已经知二氧化钒有一种不寻常的特性称为“金属-绝缘体转变”。在金属状态下，电子可自由移动，但在绝缘状态下则无法流动。二氧化钒天生具有开/关转换特性，这同时也是电脑逻辑和记忆体的基础。

研究人员认为，如果能将二氧化钒添加到接近元件的电晶体，就可以提高电晶体的性能。而如果将二氧化钒添加到记忆体单元，就能够提高读取与写入的稳定度能源效率，以及维护资讯状态。不过，他们面临的主要挑战是无法在产业所需的规模(晶圆级)上以薄膜的形式生长出足够高品质的二氧化钒。

虽然二氧化钒看起来很简单，但却难以合成。为了创造出精确的金属-绝缘体转变，钒与氧的比例必须精确地加以控制。当二者的比例控制得宜，材料就会在电阻方面表现超过四个数量级的改变，足以进行强大的开/关响应。

VO 2的晶体结构图，显示在整个金属-绝缘体转变过程中，钒(黑色箭头处)相对于氧离子的运动。VO 2在低温时的作用就像绝缘体，而在接近室温时则像金属一样

(来源：Lawrence Berkeley National Laboratory)

宾州大学的研究人员们在《自然通讯》(Nature Communications)期刊上发表研究报告，他们最先以1:2的完美钒氧比例，在3寸蓝宝石晶圆上生长出二氧化钒薄膜。这种材料可用于制造混合场效应电晶(hyper-FET)，从而带来更加节能的电晶体。今年稍早，另一组由宾州大学电子与电机系教授Suman Datta带领的研究小组也在《自然通讯》发表研究成果，展示增加二氧化钒可在室温下提供可反转的切换，减少了自发热效应以及对于电晶体能量的需求。

这种二氧化钒还可以让现有的记忆体技术受惠，这正是宾州大学研究人员正在积极进行的任务。

“使用二氧化钒材料作为增强元件，其金属-绝缘体特性能够有效地增强先进的非挥发性记忆器，有趣的是，它也可以在一些记忆体架构作为选择器，”宾州大学电子工程系教授兼积体电路与元件实验室负责人Sumeet Gupta表示。

选择器可以确保记忆体晶片上的读取或写入资讯都在单一个记忆体单完成，而不至于影响邻近单元。这种选择器的工作原理是改变记忆体单元的电阻值，二氧化钒可在这方面发挥很好的效果。此外，二氧化钒的电阻值可用于增加读取作业的稳定度。

“为了确定钒与氧的最佳比例，我们并未采用常规途径，而是在整个蓝宝石晶圆上同时用各种不同钒-氧比例来沈积二氧钒，”Engel-Herbert的学生Hai-Tian Zhang表示。“透过采用各种比例的钒-氧，我们得以执行磁通计算来确定最佳组合，在薄膜上取得了理想的1:2钒氧比。这种新的方法将有助于为产业应用快速鉴定最佳的生长条件，避免冗长的反覆试验。”

宾州大学的研究人员已经与圣母大学(Notre Dame)合作 ，利用这种生长二氧化钒薄膜材料的方法，制造出超高频开关了。这些开关显示出较传统元件更高出一个数量级的截止频。这项研究将在2015年12月的IEEE国际电子元件会议上发表。

“我们开始体认到，具有这些开/关响应的材料类型可望让资讯科技的许多方面受益，例如提高稳定度、读/写的能效，以及在记忆体、逻辑与通讯元件中的运算作业，”Engel-Herber说，“当你能以晶圆级制造出高品质的二氧化，人们就会有更多很棒的点子来善加利用。”