InGaAs晶体管的技术性将给计算机领域带来新希望

随着半导体技术的发展趋势，晶体管的规格不断缩小，集成电路技术不断提高，从32纳米到22纳米、16纳米、14纳米、7纳米，直至5纳米。比如2012年，麻省理工学院科研人员用InGaAs建造了当时最少22nm的结型场效应晶体管。

近年来，对非硅电子计算机晶体材料的科学研究不断推进，甚至被认为对计算机相关领域产生了新的期望，可以在市场上与硅(Si)技术竞争。权威专家认为，即便如此，实际上也无法改变以硅芯为核心的集成电路芯片的AO3400A半导体技术。

最近，麻省理工学院(MIT)的一个科研精英团队在IEEE国际电子元器件会议上发表了一篇论文，称纳米铟镓氮化物(InGaAs)可以用来构建处理速度更快、功能损耗更低的晶体管。InGaAs晶体管的技术性被认为为计算机相关领域创造了新的期望，甚至可以在市场上与硅(Si)的技术性竞争。

中国科学院上海技术物理研究所研究员王研究了麻省理工学院精英团队的原始记录，尤其是这项工作。“精英团队发现了9纳米技术(nm)InGaAsFinFET结构晶体管的电子密度特性，这是对InGaAs晶体管的技术改进。”在接受《中国科学技术杂志》采访时，他表示，以硅为核心的集成电路芯片的半导体技术没有实际变化。

"硅基晶体管在可预见的未来将是不可替代的."中国科学院半导体材料研究室的研究员李进民填补了这一空白。

晶体管的规格越来越小。

电脑上，智能机器上，智能产品上，等等。人们离不开晶体管。晶体管作为人类历史上最杰出的发明之一，具有检测、整流、稳压、数据信号分配等多种功能。它通常用作放大器和电机控制电源开关。然而，随着集成电路芯片技术的出现，许多晶体管可以封装在指甲大小的集成电路中。

颠覆性创新表明，在价格不变的情况下，一个集成电路芯片上能容纳的晶体管总数每18个月就会翻倍，特性也会翻倍。

随着半导体技术的发展趋势，晶体管的规格不断缩小，集成电路技术不断提高，从32纳米到22纳米、16纳米、14纳米、7纳米，直至5纳米。可以看出，单珠集成电路上可容纳的晶体管总数不断增加，最佳集成电路上可容纳的晶体管总数已达数十亿甚至数十亿元。

众所周知，闪耀了55年的颠覆性创新已经接近极限，冯·诺依曼的计算框架也遇到了“运行内存墙”的问题。

传统晶体管的关键是由硅原料制成的。对于硅基晶体管来说，7nm可以看作是物理的极限。权威专家指出，一旦晶体管的尺寸小于7nm，电子器件的个体行为就会受制于量子技术的可变性，晶体管中的电子器件非常容易引起隧穿效应，因此晶体管会变得越来越不可靠，芯片制造最终会遇到巨大的挑战。

换句话说，虽然硅基半导体器件和晶体管架构的自主创新不断推动破坏性创新的发展趋势，但破坏性创新确实逐渐趋向物理的极限。

后克时期可能会是什么，正成为当今业界讨论的焦点。“如果要在现阶段进一步拓宽破坏性创新，主要是处理处理速度和能耗水平的关系。”王对说道。

他还向《中国科学杂志》表示，晶体管的体积越来越小，许多物理限制阻碍了它的进一步发展趋势。例如，当晶体管的横截面积足够短时，就会产生量子技术的隧穿效应，导致漏电流增加，晶体管效率降低。

寻找新的材料来代替硅，生产规格更小、特性更好的晶体管已经成为共识。例如，使用碳纳米管和二氧化钼、黑磷、石墨烯材料、硒化铟等原料制造晶体管，但这种解决方案仍在实验室测试中。

铟镓砷是一种潜在的替代原料。

李进民在接受《中国科学技术杂志》采访时表示，随着半导体技术的不断发展，化学物质和半导体材料的比重将会增加。

除了原材料，铟镓砷被认为是一种潜在的替代原材料。王详细介绍了ingas半导体材料是InAs半导体材料和半导体材料的三元铝合金，是典型的III-V族化学半导体材料，可用于电子器件和光电器件。InGaAs制成的高速高精度光学探测器广泛应用于光纤通信系统行业，其他关键应用包括激光发生器及其太阳能电池板。

近年来，关于InGaAs晶体管的报道并不少见。比如2012年，麻省理工学院科研人员用InGaAs建造了当时最少22nm的结型场效应晶体管；2014年，英国宾夕法尼亚莱斯大学科研人员用InGaAs纳米管搭建了一个速率传输的纳米管晶体管，估计截面长度可以在14nm以下；2015年，英特尔在国际固态功率电路会议上报告称，基于7nmInGaAs的互补金属材料是金属氧化物半导体材料(CMOS)加工技术。

过去科研人员认为InGaAs晶体管的特性会有小幅度的下降。然而，根据麻省理工学院的新科学研究，这种显著的下降并不是InGaAs原料的原始特征，而是部分归因于金属氧化物陷阱。

据报道，金属氧化物陷阱可能导致电子器件在试图通过晶体管时被卡住。“在低频时，纳米InGaAs晶体管的特性似乎在下降；但是在1GHz或更高的频率下，它们工作得非常好，因为金属氧化物捕获不再是一个障碍。当我们实际高频操作这类元件时，它们的特性确实非常好。”麻省理工学院精英团队的一名科研人员说，“他们与硅技术有竞争力。”

在王看来，处理金属氧化物陷阱的问题只是一个技术问题，而所有原材料与硅市场的竞争，其实归根结底都是一个工业生态问题。他进一步表示，目前流行的集成电路产业链的制造、制造等都是基于光伏材料。

"使用铟镓砷作为晶体管的横截面原材料确实不是一个受欢迎的问题。"来自南京大学的权威专家告诉《中国科学》杂志，即使外部经济电子器件的输运特性取得了 进展，但充分考虑到硅的优良工艺技术的发展趋势和集成电路芯片产业链制造过程中特殊截面原材料的轻资金投入，这类原材料基本不可能替代硅。

新的集成电路仍然使用硅基技术。

中国科学院和工程院院士郑有炓在接受新闻媒体采访时表示，5纳米芯片是一个关键环节，可能会培养大量的自主创新。

目前台积电和三星的5nm技术连接点仍然采用Si原料作为截面原料，华为麒麟9000和iPhoneA14的半导体新技术也采用了5nm连接点的硅基技术。

在王看来，近期，工业领域所关注的原材料管理系统仍将以Si、SiGe等传统半导体器件管理系统为主；未来随着原材料的技术进步，二维半导体材料、一维碳纳米管等原材料可能会进入工业领域。

"铟镓砷晶体管还不能影响硅基极."王再次强调，硅锗技术可能仍是3纳米技术连接点的首选原料。