计算机可能会变得越来越小、功能越来越强，但它们需要大量的能源来运行。在过去十年时间中，美国用于计算的能源总量急剧上升并迅速接近其他主要部门如交通部门。
于当地时间4月6日在线发表在《自然》上的一项研究中，加州大学伯克利分校的工程师们描述了在晶体管–构成计算机构件的微小电子开关–的设计中的一项重大突破，它可以在不牺牲速度、尺寸或性能的情况下大大降低其能源消耗。该元件被称为闸极氧化层，其在晶体管的开关中起着关键作用。
“我们已经能够证明，我们的闸极氧化层技术比市面上的晶体管更好，”这项研究的论文高级作者、加州大学伯克利分校台积电电气工程和计算机科学特聘教授Sayeef Salahuddin说道，“今天价值数万亿美元的半导体行业所能做到的–我们基本上可以击败他们。
据悉，这种效率的提高是通过一种叫做负电容的效应实现的，它有助于减少在材料中储存电荷所需的电压。Salahuddin在2008年从理论上预测了负电容的存在，另外还在2011年首次在一个铁电晶体中展示了这种效应。
这项新研究显示了如何在一种由氧化铪和氧化锆的分层堆叠组成的工程晶体中实现负电容，这种晶体非常容易跟先进的硅晶体兼容。通过将这种材料纳入模型晶体管，该研究展示了负电容效应如何能大大降低控制晶体管所需的电压量并因此降低计算机所消耗的能源量。
Salahuddin表示：“在过去的10年里，用于计算的能源成倍增长已经占到世界能源生产的个位数百分比，而这一增长只是线性的，没有尽头。通常情况下，当我们使用电脑和手机时，我们不会想到我们正在使用多少能源。但这是一个巨大的数量，而且它只会上升。我们的目标是减少计算的这一基本构件的能源需求，因为这将降低整个系统的能源需求。”
将负电容带入现实技术
最先进的笔记本电脑和智能手机包含数以百亿计的微小硅晶体管，而每个晶体管都必须通过施加电压来控制。栅极氧化物是一层薄薄的材料，进而将施加的电压转化为电荷，然后开关晶体管。
负电容可以通过减少实现特定电荷所需的电压量来提高栅极氧化物的性能。但这种效果不能在任何材料中实现。创造负电容需要仔细操纵一种叫做铁电性的材料特性，当一种材料表现出自发的电场时就会出现这种情况。以前，这种效果只在被称为过氧化物的铁电材料中实现，而过氧化物的晶体结构跟硅不兼容。
在这项研究中，研究小组表明，通过将氧化铪和氧化锆结合在一个被称为超晶格的工程晶体结构中也可以实现负电容，并且还能让铁电性和反铁电性同时存在。
研究论文的共同第一作者、加州大学伯克利分校的博士后研究员Suraj Cheema表示：“我们发现这种组合实际上给我们带来了更好的负电容效应，这表明这种负电容现象比原来想象的要广泛得多。负电容不仅仅发生在铁电体跟电介质的传统画面中，这也是过去十年来研究的内容。实际上，你可以通过设计这些晶体结构来利用反铁电性和铁电性，从而使其效果更强。”
研究人员发现，由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两纳米，这提供了最佳的负电容效应。由于大多数最先进的硅晶体管已经使用了由二氧化硅上面的氧化铪组成的两纳米二氧化锆 ，并且由于氧化锆也被用于硅技术，这些超晶格结构可以很容易地被集成到先进的晶体管中。
为了测试超晶格结构作为二氧化锆的性能表现，该团队制作了短通道晶体管并测试了它们的能力。跟现有的晶体管相比，这些晶体管需要的电压将减少约30%，以此同时还能保持半导体行业的基准且不损失可靠性。
“我们在这种类型的研究中经常看到的一个问题是，我们可以证明材料中的各种现象，但这些材料跟先进的计算材料不兼容，因此我们无法将好处带到真正的技术中.这项工作将负电容从一个学术课题转变为可以真正用于先进晶体管的东西。”
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