上周，英特尔和IBM都宣布，他们已经找到了一种进一步缩小晶体管尺寸的方法，晶体管是为计算机供电的微型开关。 英特尔表示，诀窍在于将金属铪引入混合物中——这一添加标志着四十年来晶体管材料的首次重大变革。 基于铪的计算机电路可能比现有的微处理器更密集、更快且功耗更低。
北卡罗来纳州立大学的电气工程师卡尔顿·奥斯本说：“这是一件非常非常重要的事件。”奥斯本是一个研究铪和其他先进晶体管材料的研究团队的成员。“这直接解决了半导体制造中的‘重大挑战’之一。”
尽管这些公司尚未发布设计细节，但奥斯本和其他专家还是能够对它们的内部运作以及制造它们所面临的挑战做出一些有根据的猜测。
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英特尔的演示包括一个基于铪的微处理器，该处理器能够运行三种不同的计算机操作系统。 在其晶体管中，氧化铪充当所谓的栅极电介质，这是一种绝缘层，将晶体管的电极与其用于传导电流的硅沟道隔开。 从电极发出的电压通过控制电子流过该沟道来接通或断开晶体管。 关键是使绝缘层尽可能薄，以便更快地切换沟道并将更多晶体管封装到芯片上。
在过去的十年中，英特尔和其他微芯片制造商越来越遇到一个根本问题：当玻璃状二氧化硅绝缘层的宽度缩小到接近纳米时，电力将开始从该绝缘层泄漏。 因此，晶体管需要过多的功率。
为了克服这一障碍，芯片制造商必须确定如何用所谓的“高k值”材料（如铪和锆）取代二氧化硅。 材料作为栅极电介质的性能取决于其厚度及其k值（或介电常数），后者反映了其存储电荷的能力。 由于铪的k值高于二氧化硅，因此它应该能够在防止泄漏的厚度下完成相同或更好的工作。 这一进步将使英特尔能够将其晶体管的最小尺寸从今天的65纳米缩小到纤薄的45纳米，从而使晶体管小型化的快速步伐保持在预期轨道上。
耶鲁大学电气工程师马佐平表示，二氧化硅的优点在于，制造商只需将硅晶圆放入装满氧气的容器中即可使其生长。 生产氧化铪晶体管将需要芯片制造商在制造过程中增加多个新步骤——部分原因是电极必须由金属而不是硅的形式制成，以保持与铪的兼容性。 马佐平说，最初的生产成本可能会更高，早期芯片可能包含更多缺陷，因为这些材料对热和其他影响会更敏感。
奥斯本表示，铪晶体管仍然需要在栅极绝缘层的底部添加一层薄薄的二氧化硅，以消散否则会积聚在那里并干扰设备的过量电荷。 马佐平说他曾与英特尔和IBM的研究小组合作过，但不了解任何一方的设计。他补充说，二氧化硅的存在将要求芯片制造商也在氧化铪中添加氮。 他说，如果没有氮，绝缘体的k值只会略有提高，这将不足以满足未来两到三次晶体管尺寸的缩小。
马佐平看到的唯一科学问题是在金属电极中。 实际上，计算机电路中使用了两种晶体管，每种晶体管都需要自己的金属类型。 马佐平说，一种化合物很可能是一种稳定的材料，例如氮化钛或碳化钽，但他不知道另一种金属会是什么。
然而，研究人员似乎已经控制了这一点：在英特尔发布公告的同一天，半导体制造商研究联盟SEMATECH宣布，其工程师已经测试了两种晶体管的高k值版本。