科學家研發出下一代芯片讀取和記憶不再分離

2025-10-07 | 來源: 自由3C科技 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

近期，美國麻省理工學院（MIT）團隊成功研發一款全新的磁性電晶體（晶體管）。用它做出的產品不僅內建記憶體功能，更擁有結構緊湊、性能優異的特性，有望改寫整個科技行業的未來。

傳統電晶體主要以矽元素為主，能像微型電燈開關控制電路，或在通訊系統中放大微弱訊號。不過，這種矽做的傳統電晶體受到物理限制，使其難以在過低的電壓下運行，且體積和能效也無法更進一步突破。

為了克服這一瓶頸，科學家花費數十年時間嘗試利用“電子自旋”（Electron Spin）方式來控制磁性電晶體。這種“電子自旋”就像一個微小的磁鐵，為操控電流提供了新途徑。然而，過去的磁性材料多數缺乏半導體所需的良好電子特性，使它們在性能上存在許多無法克服的缺陷，限制了裝置的性能表現。

這次，美國麻省理工學院多個學系與捷克布拉格化工大學（VŠCHT）共同合作，使用一種兼具穩定磁性與良好電子特性的二維材料“硫溴化鉻”（CrSBr）取代電晶體表面層的矽，成功開發一種全新的磁性電晶體（Magnetic Transistor）。此創新旨在實現更小、更快、更節能的晶體電路。

硫溴化鉻制成電晶體不僅克服了過去的缺陷，還讓研究人員能夠在2種磁狀態之間進行穩定的任意切換，大幅提升電流控制的效率。研究人員更發現這些磁狀態會改變材料的電子特性，從而實現電晶體能在低功耗下運作，這可謂一項關鍵性突破。

這款全新磁性電晶體制作過程並不難。研究人員首先在矽基板上圖案化電極，之後用膠帶取代傳統的溶劑或膠水，精准轉移一小塊只有數十奈米（nm）厚度的二維材料，且整個過程確保表面清潔和無任何污染風險。

原因是傳統轉移電晶體會用到溶劑或膠水，這些物質可能殘留在電晶體上，並污染整個材料。

硫溴化鉻材料與許多其它二維材料不同，它能在不被氧化情況下，在空氣中保持穩定運作。此外，硫溴化鉻制成的磁性電晶體無污染特性，使其設備性能上要優於傳統磁性電晶體。

更令研究團隊振奮的是，傳統的電晶體裝置僅能造成電流百分之幾的變化，但這次新設計裝置的電流切換幅度提升10倍以上，顯示其具有相當高的潛力。另外，研究人員可以使用電流來控制該種材料的磁力強度，且無需額外磁場就能操控電子產品內的特定電晶體。

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這項結果對於工程師而言意義重大，因為過去工程師難以將磁場施加到電子設備中的單一電晶體上。

此外，這種磁性電晶體還可以讓電晶體裡面建立“儲存”和“讀取”能力，其運作方式與“傳統記憶體”（RAM）的儲存和讀取截然不同。

傳統記憶體主要由一個磁性單元和一個電晶體組成，前者用於儲存信息，後者用於讀取資訊。通常是先透過改變磁性單元進行資料儲存，之後再透過電晶體進行資料讀取。

硫溴化鉻磁性電晶體簡化邏輯或記憶體電路的設計，不僅縮短記憶體讀取和儲存所需時間，也開啟高性能電子產品的新應用。基於此次演示成果，研究人員計劃進一步探索利用電流控制這些電晶體，並開發可擴展的陣列制造方法，以便加速未來的實際應用。

此論文的共同第一作者、麻省理工學院（MIT）電氣工程與電腦科學系（EECS）和物理系研究生周忠濤（音譯，Chung-Tao Chou）對MIT新聞室表示，“人們對磁鐵的認識已有數千年，但將磁性融入電子產品的方法卻相當有限。這次展示一種有效利用磁性的方法，為未來的應用和研究開辟更多可能性。”

劉路橋（音譯，Luqiao Liu）則表示，“在這項工作中，我們結合磁學和半導體物理學來實現有用的自旋電子裝置。現在電晶體不僅能開關，還能記憶資訊。另外，我們能以更大的幅度切換電晶體，使其訊號變得更強，從而更快、更可靠的讀取信息。”

這項獲得美國國防高級研究計劃局（DARPA）、美國國家科學基金會（NSF）、能源部、美國陸軍研究辦公室、美國半導體研究公司（SRC），以及捷克教育部等多方支持，且部分研究和實驗在MIT.nano設施完成。這項研究結果於9月22日發表到《物理評論快報》學術期刊上。