学术界对铁电材料寄予厚望。在今天的晶体管中添加一层这种具有不同寻常电学性质的材料，可以从根本上降低芯片的功耗。
但是当工程师们展示了铁电体的最新研究时IEEE国际电子器件会议(IEDM) 12月在旧金山举行的会议上，会议室里的情绪在兴奋和怀疑之间波动。
许多工业界人士对铁电体的好处持怀疑态度。不过，IEDM会议清楚地表明，半导体公司现在正在关注这一问题。的研究人员GlobalFoundries介绍了利用14-纳米制造技术制造的铁电磨砂晶体管的性能数据。
铁电体的神奇之处就在于它有潜力将工程师从“玻尔兹曼暴政”中解放出来，“玻尔兹曼暴政”是以路德维希·玻尔兹曼命名的，他是热力学的奠基人亚伦·富兰克林他是北卡罗来纳州杜克大学的电气工程师。为了在室温下将传统场效应晶体管的电流提高10倍，工程师们必须施加至少60毫伏的电流。这为晶体管的功耗设定了一个较低的限制，这是工程师梦寐以求的。在较低的电压下获得强信号将节省电力，并使电池寿命更长。
工程师们需要在更低的电压下工作以进一步缩小晶体管。它们越小，散热效果就越差。收缩得太厉害，过热的晶体管就会熔化。在较低的电压下运行晶体管可以控制温度。
铁电材料的定义是它们倾向于在相对微弱的电场中经历深刻的电极化。在铁电薄膜上施加电压，其中的电荷(有时是带电原子)就会迅速地从一边移动到另一边。富兰克林说:“你给它施加半伏电压，由于极化，它就像施加整个伏电压。”
绕过玻尔兹曼暴政的大多数方法都需要完全抛弃传统的晶体管设计。与这些方法相比，铁电方法应该相当简单。整个行业需要做的就是增加一个铁电层。“这是一个如此简单的修改，”联合主持IEDM会议的富兰克林说。
这一想法于2008年首次提出。那一年,Sayeef萨拉赫丁他现在是加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的教授，也是他的普渡大学(Purdue University)博士导师Supriyo达塔发表了一有影响力的论文表明用铁电绝缘体取代传统绝缘体可以节约电力。
这个想法在当时并没有得到太多的支持。富兰克林说:“这似乎很疯狂，因为我们只知道铁电体含有铅和其他讨厌的材料，而且铁电层必须非常厚。”最近，研究人员已经想出了如何鼓励更友好的材料，如已经用于芯片组件的二氧化铪，作为铁电体。工程师们并没有像Datta提议的那样，使用这些材料来替代绝缘子，而是将它们覆盖在现有的绝缘子上。
即便如此，问题依然存在。铁电材料中电荷的奇怪行为减慢了速度——电荷重新定位需要时间。一些研究人员预测，用铁电体制造的晶体管永远不会超过100兆赫。一些人认为建造这些设备需要非常厚的铁电层——太厚而不实用。
在IEDM上，在一位演讲者描述了铁电体如何帮助工程师将芯片缩小到2纳米后，一位观众指出，拟议的设计没有为足够厚的铁电层留下足够的物理空间，以提供预期的好处。演讲者看起来有点困惑，回答说这项工作是理论上的。
Zoran Krivokapic他说，人们对铁电体的功能存在误解。他是GlobalFoundries公司铁电体项目的负责人。他说，实验铁电设备的数据往往“到处都是”。如果研究人员不仔细注意铁电体和半导体中电荷的积聚，确保它们非常紧密地协调-一种称为电容匹配的特性-
这些设备将无法工作。Krivokapic说，拙劣的设备产生了糟糕的结果，导致工程师低估了铁电体的潜力。
为了克服速度问题，GlobalFoundries团队选择了一种不需要离子或原子迁移的铁电材料。Krivokapic说，在他们实验的14纳米晶体管中，掺杂硅的二氧化铪周围的电子云经历了极化。电子可以快速移动:用这些晶体管制成的环形振荡器可以以与常规配方相同的频率开关，但它们只需要54毫伏就能实现电流增加10倍。富兰克林说，很难确定一个理论上的最小值，因为设计各不相同。然而，铁电器件通常不会低于30 mV -尽管一些研究人员报告了器件在5 mV切换。
GlobalFoundries的设备需要3到8纳米厚的铁电材料层，这仍然是相对较厚的。但研究人员对这第一次实际演示感到兴奋。“这不是来自学术实验室的东西，在那里你可以争辩说它不兼容CMOS，”电气工程师说德Akinwande他是德克萨斯大学奥斯汀分校的教授。“这一领域似乎正在迅速成熟，甚至连大公司都在开发。”
这些设备还没有准备好投入生产，他说迈克尔Chudzik他是半导体设备制造商应用材料公司的高级主管，但他们确实表明铁电体正在认真考虑之中。他说，在半导体行业，“你必须先发制人，才能真正击中目标。”
本文发表在2018年3月的印刷杂志上，题为“铁电晶体管:超低功率解决方案?”
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