Tranzystor ferroelektryczny umożliwia obliczenia na dużą skalę

Rewolucja big data nadwyręża możliwości nowoczesnych urządzeń elektronicznych, zmuszając inżynierów do ponownego przemyślenia niemal każdego aspektu mikroczipa. Przy coraz większej złożoności przechowywanych, przeszukiwanych i analizowanych zbiorów danych urządzenia te muszą być mniejsze, szybsze i bardziej energooszczędne, aby nadążyć za tempem innowacji w zakresie danych.

Elektryczne tranzystory polowe (FE-FET) to jedna z najciekawszych odpowiedzi na to wyzwanie. Podobnie jak konwencjonalne tranzystory krzemowe, tranzystory FE-FET to przełączniki, które włączają się i wyłączają niezwykle szybko, aby połączyć jedynki i zera komputerów, które używają ich do wykonywania swoich operacji.

Ale FE-FET mają dodatkową funkcję, której nie mają konwencjonalne tranzystory: ich właściwości ferroelektryczne pozwalają im utrzymywać ładunek elektryczny.

Ta właściwość pozwala im działać jako urządzenia pamięci nieulotnej oprócz komputerów. Zdolne do przechowywania i przetwarzania danych, FE-FET są przedmiotem wielu projektów badawczo-rozwojowych. Udany projekt FE-FET znacznie zmniejszy rozmiar i progi zużycia energii konwencjonalnych urządzeń, a także zwiększy prędkość.

badacze w Wyższa Szkoła Inżynierii i Nauk Stosowanych Uniwersytetu Pensylwanii Wprowadzono nowy projekt FE-FET, który wykazuje rekordową wydajność zarówno w zakresie mocy obliczeniowej, jak i pamięci.

Niedawne badanie opublikowane w Nanotechnologia natury prowadzony Głęboka JariwalaKwan Ho Kim, profesor nadzwyczajny na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Systemowej (ESE), Ph.D. kandydata w swoim laboratorium, projekt zadebiutował. Współpracowali z członkami wydziału w Penn Engineering Troya Olsonaa także profesor nadzwyczajny w ESE, W Eryk Stach, Robert D. Bent jest profesorem inżynierii na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Inżynierii Materiałowej (MSE) oraz dyrektorem Laboratorium Badań nad Strukturą Materii (LRSM).

Tranzystor nakłada dwuwymiarowy półprzewodnik zwany dwusiarczkiem molibdenu (MoS2) na materiał ferroelektryczny zwany azotkiem glinu i skandu (AlScN). .

„Ponieważ stworzyliśmy te urządzenia, które łączą materiał ferroelektryczny z dwuwymiarowym półprzewodnikiem, oba są bardzo energooszczędne” – mówi Jariwala. „Możesz ich używać zarówno do obliczeń, jak i do pamięci — zamiennie i bardzo wydajnie”.

Urządzenie zespołu Penn Engineering jest niespotykanie cienkie, dzięki czemu każde urządzenie może działać na minimalnej powierzchni. Ponadto małe urządzenia można łączyć w duże macierze skalowalne do platform przemysłowych.

„W przypadku półprzewodnika MoS2, który ma grubość zaledwie 0,7 nanometra, nie byliśmy pewni, czy może utrzymać ładunek, jaki wstrzyknie materiał ferroelektryczny AlScN” – mówi Kim. „Ku naszemu zaskoczeniu, nie tylko oba przeżyły, ale także ilość prądu, jaką ten półprzewodnik był w stanie przenieść, była rekordowa”.

Im bardziej przenośne może być urządzenie, tym szybciej może uruchamiać aplikacje komputerowe. Im mniejszy opór, tym szybszy dostęp do pamięci.

To połączenie MoS2 i AlScN to prawdziwy przełom w technologii tranzystorowej. Prace nad FE-FET innych zespołów badawczych były stale utrudnione przez utratę właściwości ferroelektrycznych, ponieważ urządzenia były miniaturyzowane, aby zbliżyć się do skali odpowiedniej dla przemysłu.

Do czasu tego badania miniaturyzacja FE-FET poważnie zmniejszyła „okno pamięci”. Oznacza to, że ponieważ inżynierowie nie doceniają rozmiaru konstrukcji tranzystora, urządzenie rozwija zawodną pamięć, myląc jedynki z 0 i odwrotnie, co jest szkodliwe dla jego ogólnej wydajności.

Laboratorium i współpracownicy Jariwali osiągnęli projekt, który utrzymuje duże okno pamięci przy imponująco małych wymiarach urządzenia. Z AlScN przy 20 nm i MoS2 przy 0,7 nm, FE-FET niezawodnie przechowuje dane w celu szybkiego dostępu.

„Kluczem jest nasz materiał ferroelektryczny AlScN” — mówi Olson. W przeciwieństwie do wielu ferroelektryków zachowuje on swoje unikalne właściwości nawet, gdy jest bardzo cienki. ostatni artykuł W mojej grupie pokazaliśmy, że możemy zachować jego unikalne właściwości ferroelektryczne przy jeszcze mniejszych grubościach: 5 nanometrów”.

Kolejne kroki zespołu Penn Engineering koncentrują się na tej dodatkowej miniaturyzacji, aby wyprodukować urządzenia, które działają przy wystarczająco niskim napięciu, aby były kompatybilne z wiodącymi producentami urządzeń konsumenckich.

„Nasze FE-FET są niezwykle obiecujące” – mówi Jariwala. „Dzięki dalszemu rozwojowi te wszechstronne urządzenia mogą znaleźć miejsce w prawie każdej technologii, o której możesz pomyśleć, zwłaszcza w tych, które obsługują sztuczną inteligencję i zużywają, generują lub przetwarzają ogromne ilości danych — od wykrywania po komunikację i nie tylko”.