科学家研发出下一代芯片 读取和记忆不再分离
近期，美国麻省理工学院（MIT）团队成功研发一款全新的磁性电晶体（晶体管）。用它做出的产品不仅内建记忆体功能，更拥有结构紧凑、性能优异的特性，有望改写整个科技行业的未来。
传统电晶体主要以矽元素为主，能像微型电灯开关控制电路，或在通讯系统中放大微弱讯号。不过，这种矽做的传统电晶体受到物理限制，使其难以在过低的电压下运行，且体积和能效也无法更进一步突破。
为了克服这一瓶颈，科学家花费数十年时间尝试利用“电子自旋”（Electron Spin）方式来控制磁性电晶体。这种“电子自旋”就像一个微小的磁铁，为操控电流提供了新途径。然而，过去的磁性材料多数缺乏半导体所需的良好电子特性，使它们在性能上存在许多无法克服的缺陷，限制了装置的性能表现。
硫溴化铬制成电晶体不仅克服了过去的缺陷，还让研究人员能够在2种磁状态之间进行稳定的任意切换，大幅提升电流控制的效率。研究人员更发现这些磁状态会改变材料的电子特性，从而实现电晶体能在低功耗下运作，这可谓一项关键性突破。
这款全新磁性电晶体制作过程并不难。研究人员首先在矽基板上图案化电极，之后用胶带取代传统的溶剂或胶水，精准转移一小块只有数十奈米（nm）厚度的二维材料，且整个过程确保表面清洁和无任何污染风险。
原因是传统转移电晶体会用到溶剂或胶水，这些物质可能残留在电晶体上，并污染整个材料。
硫溴化铬材料与许多其它二维材料不同，它能在不被氧化情况下，在空气中保持稳定运作。此外，硫溴化铬制成的磁性电晶体无污染特性，使其设备性能上要优于传统磁性电晶体。
更令研究团队振奋的是，传统的电晶体装置仅能造成电流百分之几的变化，但这次新设计装置的电流切换幅度提升10倍以上，显示其具有相当高的潜力。另外，研究人员可以使用电流来控制该种材料的磁力强度，且无需额外磁场就能操控电子产品内的特定电晶体。
这项结果对于工程师而言意义重大，因为过去工程师难以将磁场施加到电子设备中的单一电晶体上。
此外，这种磁性电晶体还可以让电晶体里面建立“储存”和“读取”能力，其运作方式与“传统记忆体”（RAM）的储存和读取截然不同。
传统记忆体主要由一个磁性单元和一个电晶体组成，前者用于储存信息，后者用于读取资讯。通常是先透过改变磁性单元进行资料储存，之后再透过电晶体进行资料读取。
硫溴化铬磁性电晶体简化逻辑或记忆体电路的设计，不仅缩短记忆体读取和储存所需时间，也开启高性能电子产品的新应用。基于此次演示成果，研究人员计划进一步探索利用电流控制这些电晶体，并开发可扩展的阵列制造方法，以便加速未来的实际应用。
此论文的共同第一作者、麻省理工学院（MIT）电气工程与电脑科学系（EECS）和物理系研究生周忠涛（音译，Chung-Tao Chou）对MIT新闻室表示，“人们对磁铁的认识已有数千年，但将磁性融入电子产品的方法却相当有限。这次展示一种有效利用磁性的方法，为未来的应用和研究开辟更多可能性。”
刘路桥（音译，Luqiao Liu）则表示，“在这项工作中，我们结合磁学和半导体物理学来实现有用的自旋电子装置。现在电晶体不仅能开关，还能记忆资讯。另外，我们能以更大的幅度切换电晶体，使其讯号变得更强，从而更快、更可靠的读取信息。”
这项获得美国国防高级研究计划局（DARPA）、美国国家科学基金会（NSF）、能源部、美国陆军研究办公室、美国半导体研究公司（SRC），以及捷克教育部等多方支持，且部分研究和实验在MIT.nano设施完成。这项研究结果于9月22日发表到《物理评论快报》学术期刊上。
（示意图）