外电报导，《自然》期刊的新研究，加州大学柏克莱分校研究员表示，芯片晶体管设计有重大突破，藉改良晶体管开关的关键作用，称为闸极氧化层，可不牺牲指令周期、芯片尺寸同时降低耗能。
晶圆代工龙头台积电特聘教授、加州大学柏克莱分校电气工程和计算机科学教授、论文作者 Sayeef Salahuddin 指出，目前要透过价值数以兆计美元的半导体产业才能达到的进步，基本上研究已可突破。能耗提升是透过负电容效应达成，有助减少材料储存电荷所需电压。Sayeef Salahuddin 的 2008 年理论研究就预测到负电容存在，且还在 2011 年铁晶体管展示效应。
新研究显示如何在氧化铪和氧化锆分层堆栈组成的工程晶体产生负电容效应。因这种晶体非常容易兼容先进硅晶体，所以这种材料可纳入晶体管模型。研究展示负电容效应如何大大降低控制晶体管所需电压，降低芯片消耗电能。Salahuddin 表示，过去 10 年运算耗能呈倍数成长，已占世界能源生产的个位数百分比，庞大数字只会成长到没有尽头。目标就是减少运算基本能源需求，因可降低整个系统的能源使用量。
现阶段来说，最先进笔电和智慧手机都有数以百亿计的微小硅晶体管，每个晶体管都必须施加电压控制。栅极氧化物是一层薄薄材料，透过施加电压转化为电荷，然后开关晶体管以控制。负电容效应可藉减少特定电荷所需电压量，提高栅极氧化物性能，但这种效果不能用任何材料达成。创造负电容效应需仔细操纵铁电性的材料特性，当一种材料表现出自发电场时就会出现这情况。以前这效果只在过氧化物铁电材料看到，但过氧化物晶体结构跟硅不兼容，难以应用于芯片硅晶体管。
研究小组还指出，藉由将氧化铪和氧化锆结合至超晶格工程晶体结构，实验证实可做到负电容效应，并还能使铁电性和反铁电性同时存在。成员之一的加州大学柏克莱分校博士后研究员 Suraj Cheema 表示，这种组合带来更佳负电容效应，代表负电容效应现象比想象广泛，不仅发生在铁电体跟电介质的传统基础，还可透过设计晶体结构利用反铁电性和铁电性，使效果更强。
研究人员还发现，三个氧化锆原子层夹在两个氧化铪单原子层之间组成的超晶格结构总厚度不到 2 奈米，提供最佳负电容效应环境。大多数最先进硅晶体管已使用二氧化硅上面有氧化铪组成的 2 奈米二氧化锆，且氧化锆也用于硅技术，使超晶格结构很容易整合至先进晶体管。为了测试超晶格结构为二氧化锆的性能表现，研究团队还制作短通道晶体管测试。结果显示与现有晶体管相比，新晶体管需要电压减少约 30%，还能保持半导体产业基准，且不损失可靠性。
●消息出处：TechNews科技新报
●出处网址：https://technews.tw/2022/04/12/uc-berkeley-discovers-new-transistor-design/
晶圆代工龙头台积电特聘教授、加州大学柏克莱分校电气工程和计算机科学教授、论文作者 Sayeef Salahuddin 指出，目前要透过价值数以兆计美元的半导体产业才能达到的进步，基本上研究已可突破。能耗提升是透过负电容效应达成，有助减少材料储存电荷所需电压。Sayeef Salahuddin 的 2008 年理论研究就预测到负电容存在，且还在 2011 年铁晶体管展示效应。
新研究显示如何在氧化铪和氧化锆分层堆栈组成的工程晶体产生负电容效应。因这种晶体非常容易兼容先进硅晶体，所以这种材料可纳入晶体管模型。研究展示负电容效应如何大大降低控制晶体管所需电压，降低芯片消耗电能。Salahuddin 表示，过去 10 年运算耗能呈倍数成长，已占世界能源生产的个位数百分比，庞大数字只会成长到没有尽头。目标就是减少运算基本能源需求，因可降低整个系统的能源使用量。
现阶段来说，最先进笔电和智慧手机都有数以百亿计的微小硅晶体管，每个晶体管都必须施加电压控制。栅极氧化物是一层薄薄材料，透过施加电压转化为电荷，然后开关晶体管以控制。负电容效应可藉减少特定电荷所需电压量，提高栅极氧化物性能，但这种效果不能用任何材料达成。创造负电容效应需仔细操纵铁电性的材料特性，当一种材料表现出自发电场时就会出现这情况。以前这效果只在过氧化物铁电材料看到，但过氧化物晶体结构跟硅不兼容，难以应用于芯片硅晶体管。
研究小组还指出，藉由将氧化铪和氧化锆结合至超晶格工程晶体结构，实验证实可做到负电容效应，并还能使铁电性和反铁电性同时存在。成员之一的加州大学柏克莱分校博士后研究员 Suraj Cheema 表示，这种组合带来更佳负电容效应，代表负电容效应现象比想象广泛，不仅发生在铁电体跟电介质的传统基础，还可透过设计晶体结构利用反铁电性和铁电性，使效果更强。
研究人员还发现，三个氧化锆原子层夹在两个氧化铪单原子层之间组成的超晶格结构总厚度不到 2 奈米，提供最佳负电容效应环境。大多数最先进硅晶体管已使用二氧化硅上面有氧化铪组成的 2 奈米二氧化锆，且氧化锆也用于硅技术，使超晶格结构很容易整合至先进晶体管。为了测试超晶格结构为二氧化锆的性能表现，研究团队还制作短通道晶体管测试。结果显示与现有晶体管相比，新晶体管需要电压减少约 30%，还能保持半导体产业基准，且不损失可靠性。
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