当前位置麻省理工学院的研究人员发现，一种名为InGaAs的合金材料可能适用于高性能计算机晶体管。如果在高频率下工作，InGaAs晶体管有一天可以与硅媲美。这张图片显示的是传统上由硅制成的固态存储晶圆。来源:麻省理工学院
oNce被认为适合只有在高速通信系统中，一种名为InGaAs的合金可能有一天会在高性能计算领域与硅匹敌。
几十年来，有一种材料在计算机芯片和晶体管的生产中占据着如此重要的地位，以至于世界科技之都——硅谷——以它的名字命名。但硅的统治可能不会永远持续下去。
麻省理工学院的研究人员发现，一种名为InGaAs(铟镓砷化)的合金可能会成为更小、更节能的晶体管。此前，研究人员认为InGaAs晶体管的性能在小尺度下会恶化。但新的研究表明，这种明显的退化并不是材料本身的固有属性。
有一天，这一发现可能会帮助提高计算能力和效率，超越硅的能力。“我们真的很兴奋，”该研究的主要作者蔡晓伟(音译)说。“我们希望这个结果将鼓励社会继续探索使用InGaAs作为晶体管的通道材料。”
现在在模拟设备公司工作的Cai作为博士生在MIT微系统技术实验室和电气工程与计算机科学系(EECS)与Donner教授Jesús del Alamo一起完成了这项研究。她的合著者包括马德里理工大学的Jesús Grajal，以及麻省理工学院的Alon Vardi和del Alamo。这篇论文将于本月在虚拟的IEEE国际电子设备会议上发表。
晶体管是计算机的组成部分。它们扮演着开关的角色，要么阻止电流，要么让电流流动，从而产生了一系列惊人的计算——从模拟全球气候到在Youtube上播放猫的视频。一台笔记本电脑可能包含数十亿个晶体管。为了在未来提高计算能力，就像过去几十年所做的那样，电气工程师必须开发更小、封装更紧密的晶体管。迄今为止，硅一直是晶体管半导体材料的首选。但InGaAs已经显示出成为潜在竞争对手的迹象。
电子可以轻松地通过InGaAs，即使在低电压下。这种材料“已知具有很好的电子输运特性，”蔡说。铟镓镓晶体管可以快速处理信号，可能会导致更快的计算速度。此外，InGaAs晶体管可以在相对较低的电压下工作，这意味着它们可以提高计算机的能源效率。因此，ingaa似乎是一种很有前途的计算机晶体管材料。但有一个问题。
InGaAs的良好电子传输特性似乎在小尺度下恶化了——而小尺度下需要构建更快、更密集的计算机处理器。这个问题导致一些研究人员得出结论，纳米级InGaAs晶体管根本不适合这项任务。但是，蔡说，“我们发现这是一种误解。”
研究小组发现，InGaAs的小规模性能问题部分是由于氧化物捕获。这种现象会导致电子在试图通过晶体管时被卡住。“晶体管应该起到开关的作用。你希望能够打开一个电压并产生大量电流，”蔡说。“但如果你有电子被捕获，发生的是你打开一个电压，但你只有一个非常有限的电流在通道。所以当有氧化物吸附时，开关能力会低很多。”
蔡的团队通过研究晶体管的频率依赖性(电脉冲通过晶体管的频率)，确定了氧化物捕获是罪魁祸首。在低频率下，纳米InGaAs晶体管的性能出现下降。但在频率为1千兆赫或更大的时候，它们工作得很好——氧化物俘获不再是一种阻碍。她说:“当我们在非常高的频率下操作这些设备时，我们注意到性能真的很好。”“他们与硅技术有竞争力。”
蔡希望她的团队的发现会给研究人员新的理由去追求基于ingaas的计算机晶体管。这项工作表明“要解决的问题并不是InGaAs晶体管本身。这是氧化物捕获问题，”她说。“我们相信，这是一个可以解决或通过设计解决的问题。”她补充说，InGaAs在经典计算和量子计算应用中都显示出了希望。
“这个(研究)领域仍然非常、非常令人兴奋，”del Alamo说。“我们致力于将晶体管的性能发挥到极致。”有一天，InGaAs可能会提供这种极端的性能。
这项研究得到了国防威胁减少局和国家科学基金会的部分支持。
