材料科学家刚刚发现一种助力重负荷晶体管的方法，采用新技术将氧化钒（功能氧化物材料之一）插入到器件当中。

微型晶体管是电子革命的核心，宾州大学材料科学家刚刚发现一种助力重负荷晶体管的方法，采用新技术将氧化钒（功能氧化物材料之一）插入到器件当中。

“取代现有的晶体管技术是很难的，毕竟半导体已经很出色了。但有些材料，比如氧化钒，可以添加到现有的器件上，使其更加出色。”材料科学与工程助理教授Roman Engel-Herbert如是说。

研究人员清楚氧化钒（钒元素与氧元素的特定组合）具有不寻常的金属-绝缘体转变特性。金属态中，电子自由移动；而绝缘态中电子不能移动。这种氧化钒固有的开/关转变也是计算机逻辑和内存的基础。

研究人员设想：如果可以添加氧化钒使其靠近晶体管，将可以提高晶体管的性能。相同的，添加到存储单元当中，也可以提高读写信息以及保持信息状态的稳定性和能量效率。面临的主要挑战在于，从未以工业应用要求的尺寸（即晶圆级）制备出足够高质量的氧化钒薄膜。虽然氧化钒这种有针对性的化合物看起来很简单，但却非常难合成。为了创造出明显的金属-绝缘体转变，钒和氧的比例需要精确控制。比例特别合适时，这种材料的电阻将表现出四个数量级的跨度，足以作为强大的开/关响应。

相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communication）期刊上，宾州大学团队首次报道了3英寸蓝宝石晶片上生长出整个晶片尺度上钒和氧的比例为完美1：2的氧化钒薄膜。该材料可用于制造杂化场效应晶体管（hyper-FETs），这可能会是具有更高能量效率的晶体管。今年初宾州大学SumanDatta教授带领的团队另一篇同样发表于《自然·通讯》上的论文表明了，室温下，氧化钒的添加可以实现敏锐且可逆的开关切换，减少了晶体管的自热效应并降低了能量需求。

还有更多。氧化钒还有利于现有的存储技术，这是宾州大学研究人员正在积极追求的。

“氧化钒的金属-绝缘体转变特性通过将其作为增强装置，可以提高先进的非易失性存储器，其中有趣的是，它还可以作为某些存储架构的选择器。”宾州大学集成电路与器件实验室团队带头人、电气工程Monkowski助理教授Sumeet Gupta如是说。

选择器确保芯片上读写信息在单一的存储单元上完成，不会溢出到邻近单元。选择器通过改变单元的电阻率来实现其功能，氧化钒特别适合。此外，氧化钒电阻率的改变可以用来显著提高读取操作的牢固性。

该论文第一作者、Engel-Herbert课题组的博士生Hai-Tian Zhang说，“为了确定钒和氧的正确比例，我们采用了一种非常规的方法，在整片蓝宝石晶片上同时沉积不同钒、氧比例的氧化钒。利用这种钒-氧比例‘库’，可以进行流量计算，从而确定最佳组合，得到理想的钒-氧比为1：2的薄膜。这种新方法可以实现工业应用优化生长条件的快速识别，避免了冗长且繁琐的试验-纠错实验过程。”

在与宾州Datta集团和Notre Dame的合作中，采用这种方法生长的氧化钒薄膜材料还可以用于制造超高频率开关，这是通信领域的一个重要技术。这些开关显示出比传统器件高一个数量级的切断频率。该研究将在12月举行的IEEE国际电子器件大会上进行报告，该会议是报告半导体及电子器件行业突破性技术的高级会议。

“我们开始意识到这类材料显示出的开/关响应在信息技术的各个方面都将有大用处，比如提高内存、逻辑及通信器件的读写和计算运行的牢固度和能量效率。一旦可以制造出晶圆级的高质量氧化钒，人们将会有很多关于如何应用它的杰出设想。” Engel-Herbert如是说。 

新材料在线编译整理——翻译：菠菜      校正：摩天轮