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Jun 03, 2023

Ein ferroelektrischer Transistor, der im großen Maßstab speichert und rechnet

Elektronik und Sensoren INSIDER Die Big-Data-Revolution hat die Leistungsfähigkeit modernster elektronischer Hardware strapaziert und Ingenieure dazu gezwungen, nahezu jeden Aspekt des Mikrochips zu überdenken. Mit

Elektronik & Sensoren INSIDER

Die Big-Data-Revolution hat die Leistungsfähigkeit modernster elektronischer Hardware strapaziert und Ingenieure dazu gezwungen, nahezu jeden Aspekt des Mikrochips zu überdenken. Da immer größere Datensätze gespeichert, durchsucht und analysiert werden müssen, die immer komplexer werden, müssen diese Geräte kleiner, schneller und energieeffizienter werden, um mit der Geschwindigkeit der Dateninnovation Schritt zu halten.

Ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FE-FETs) gehören zu den faszinierendsten Antworten auf diese Herausforderung. Wie herkömmliche Transistoren auf Siliziumbasis sind FE-FETs Schalter, die sich mit unglaublicher Geschwindigkeit ein- und ausschalten, um die Einsen und Nullen zu kommunizieren, die Computer für ihre Operationen verwenden. FE-FETs haben jedoch eine zusätzliche Funktion, die herkömmliche Transistoren nicht haben: Ihre ferroelektrischen Eigenschaften ermöglichen es ihnen, elektrische Ladung zu speichern.

Diese Eigenschaft ermöglicht es ihnen, sowohl als nichtflüchtige Speichergeräte als auch als Computergeräte zu dienen. FE-FETs können Daten sowohl speichern als auch verarbeiten und sind Gegenstand einer Vielzahl von Forschungs- und Entwicklungsprojekten. Ein erfolgreiches FE-FET-Design würde die Größen- und Energieverbrauchsgrenzwerte herkömmlicher Geräte drastisch unterbieten und die Geschwindigkeit erhöhen.

Eine kürzlich in Nature Nanotechnology veröffentlichte Studie unter der Leitung von Deep Jariwala, außerordentlicher Professor am Fachbereich Elektro- und Systemtechnik (ESE), und Kwan-Ho Kim, einem Ph.D. Der Kandidat in seinem Labor stellte den Entwurf vor. Sie arbeiteten mit Troy Olsson, ebenfalls außerordentlicher Professor an der ESE, und Eric Stach, Robert D. Bent-Professor für Ingenieurwissenschaften am Department of Materials Science and Engineering (MSE) und Direktor des Labors für Strukturforschung an der Penn Engineering, zusammen Materie (LRSM).

Der Transistor schichtet einen zweidimensionalen Halbleiter namens Molybdändisulfid (MoS2) auf ein ferroelektrisches Material namens Aluminium-Scandiumnitrid (AlScN) und demonstriert damit erstmals, dass diese beiden Materialien effektiv kombiniert werden können, um Transistoren in für die industrielle Fertigung attraktiven Maßstäben herzustellen .

„Da wir diese Geräte hergestellt haben, die ein ferroelektrisches Isolatormaterial mit einem 2D-Halbleiter kombinieren, sind beide sehr energieeffizient“, sagte Jariwala. „Sie können sie sowohl für die Datenverarbeitung als auch für den Speicher verwenden – austauschbar und mit hoher Effizienz.“

Das Gerät zeichnet sich durch seine beispiellose Dünnheit aus, sodass jedes einzelne Gerät mit minimaler Fläche betrieben werden kann. Darüber hinaus können die winzigen Geräte in großen Arrays hergestellt werden, die auf industrielle Plattformen skalierbar sind.

„Da unser Halbleiter MoS2 nur 0,7 Nanometer groß ist, waren wir nicht sicher, ob er der Ladungsmenge standhalten würde, die unser ferroelektrisches Material AlScN in ihn injizieren würde“, sagt Kim. „Zu unserer Überraschung überlebten nicht nur beide, sondern auch die Strommenge, die der Halbleiter dadurch transportieren kann, war rekordverdächtig.“

Je mehr Strom ein Gerät führen kann, desto schneller kann es für Computeranwendungen arbeiten. Je geringer der Widerstand, desto schneller ist die Zugriffsgeschwindigkeit auf den Speicher.

Diese Kombination aus MoS2 und AlScN ist ein echter Durchbruch in der Transistortechnologie. Die FE-FETs anderer Forschungsteams wurden immer wieder durch den Verlust ferroelektrischer Eigenschaften beeinträchtigt, da die Geräte immer kleiner werden, um sich industrietauglichen Maßstäben anzunähern.

Bis zu dieser Studie führte die Miniaturisierung von FE-FETs zu einer starken Verkleinerung des „Speicherfensters“. Das bedeutet, dass das Gerät einen unzuverlässigen Speicher entwickelt, wenn Ingenieure die Größe des Transistordesigns reduzieren, was seine Gesamtleistung beeinträchtigt.

Das Jariwala-Labor und seine Mitarbeiter haben ein Design entwickelt, das das Speicherfenster bei beeindruckend kleinen Geräteabmessungen groß hält. Mit AlScN bei 20 Nanometern und MoS2 bei 0,7 Nanometern speichert der FE-FET Daten zuverlässig für einen schnellen Zugriff.

„Der Schlüssel“, sagt Olsson, „ist unser ferroelektrisches Material AlScN. Im Gegensatz zu vielen anderen ferroelektrischen Materialien behält es seine einzigartigen Eigenschaften auch dann bei, wenn es sehr dünn ist. In einem aktuellen Artikel meiner Gruppe haben wir gezeigt, dass es seine einzigartigen ferroelektrischen Eigenschaften auch bei noch geringeren Dicken von 5 Nanometern beibehalten kann.“

Die nächsten Schritte des Teams konzentrieren sich auf die weitere Miniaturisierung, um Geräte herzustellen, die mit Spannungen arbeiten, die niedrig genug sind, um mit der Herstellung modernster Verbrauchergeräte kompatibel zu sein.

„Unsere FE-FETs sind unglaublich vielversprechend“, sagt Jariwala. „Mit der Weiterentwicklung könnten diese vielseitigen Geräte in fast jeder erdenklichen Technologie ihren Platz finden, insbesondere in solchen, die KI-fähig sind und riesige Datenmengen verbrauchen, erzeugen oder verarbeiten – von der Sensorik bis zur Kommunikation und mehr.“

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