Блог

Jun 03, 2023

Сегнетоэлектрический транзистор, который хранит и выполняет вычисления в больших масштабах

Электроника и датчики INSIDER Революция больших данных усилила возможности современного электронного оборудования, заставив инженеров переосмыслить почти каждый аспект микрочипа. С

Электроника и датчики INSIDER

Революция больших данных усилила возможности современного электронного оборудования, заставив инженеров переосмыслить почти каждый аспект микрочипа. Учитывая все более огромные наборы данных для хранения, поиска и анализа на все более высоком уровне сложности, эти устройства должны становиться меньше, быстрее и более энергоэффективными, чтобы идти в ногу с темпами инноваций в области данных.

Сегнетоэлектрические полевые транзисторы (FE-FET) являются одними из наиболее интригующих ответов на эту проблему. Как и традиционные кремниевые транзисторы, FE-FET представляют собой переключатели, которые включаются и выключаются с невероятной скоростью, чтобы передавать единицы и нули, которые компьютеры используют для выполнения своих операций. Но у FE-FET есть дополнительная функция, которой нет у обычных транзисторов: их сегнетоэлектрические свойства позволяют им удерживать электрический заряд.

Это свойство позволяет им служить как энергонезависимыми запоминающими устройствами, а также вычислительными устройствами. Способные как хранить, так и обрабатывать данные, FE-FET являются предметом широкого спектра исследований и разработок. Успешная конструкция FE-FET значительно снизит размеры и пороги энергопотребления традиционных устройств, а также увеличит скорость.

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature Nanotechnology, проведено Дипом Джаривалой, доцентом кафедры электротехники и системной инженерии (ESE), и Кван-Хо Кимом, доктором философии. кандидат в своей лаборатории, представил этот дизайн. Они сотрудничали с другими преподавателями Пенсильванского инженерного факультета Троем Олссоном, также доцентом ESE, и Эриком Стахом, профессором инженерных наук Роберта Д. Бента на факультете материаловедения и инженерии (MSE) и директором лаборатории исследований структуры Материя (LRSM).

Транзистор накладывает двумерный полупроводник под названием дисульфид молибдена (MoS2) поверх сегнетоэлектрического материала под названием нитрид алюминия-скандия (AlScN), впервые демонстрируя, что эти два материала можно эффективно комбинировать для создания транзисторов в масштабах, привлекательных для промышленного производства. .

«Поскольку мы создали эти устройства, сочетая сегнетоэлектрический изоляционный материал с двумерным полупроводником, оба они очень энергоэффективны», — сказал Яривала. «Вы можете использовать их как для вычислений, так и для памяти — взаимозаменяемо и с высокой эффективностью».

Устройство отличается беспрецедентной тонкостью, позволяющей каждому отдельному устройству работать на минимальной площади поверхности. Кроме того, крошечные устройства могут изготавливаться в виде больших массивов, масштабируемых до промышленных платформ.

«Поскольку наш полупроводник MoS2 имел толщину всего 0,7 нанометра, мы не были уверены, что он сможет выдержать тот объем заряда, который наш сегнетоэлектрический материал AlScN введет в него», — говорит Ким. «К нашему удивлению, они не только выжили, но и величина тока, которую позволяет полупроводнику проводить, также оказалась рекордной».

Чем больший ток может передавать устройство, тем быстрее оно может работать в вычислительных приложениях. Чем ниже сопротивление, тем выше скорость доступа к памяти.

Эта комбинация MoS2 и AlScN является настоящим прорывом в транзисторной технологии. FE-FET других исследовательских групп постоянно сталкивались с трудностями из-за потери сегнетоэлектрических свойств по мере того, как устройства миниатюризировались, чтобы приблизиться к масштабам, приемлемым для отрасли.

До настоящего исследования миниатюризация FE-FET приводила к серьезному сокращению «окна памяти». Это означает, что по мере того, как инженеры уменьшают размер конструкции транзистора, в устройстве образуется ненадежная память, что ухудшает его общую производительность.

Лаборатория Джаривала и ее коллеги разработали конструкцию, в которой окно памяти остается большим при впечатляюще малых размерах устройства. Благодаря AlScN (20 нанометров) и MoS2 (0,7 нанометра) FE-FET надежно сохраняет данные для быстрого доступа.

«Главное, — говорит Олссон, — это наш сегнетоэлектрический материал AlScN. В отличие от многих сегнетоэлектрических материалов, он сохраняет свои уникальные свойства даже в очень тонком состоянии. В недавней статье моей группы мы показали, что он может сохранять свои уникальные сегнетоэлектрические свойства даже при меньшей толщине: 5 нанометров».