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Jun 03, 2023

Un transistor ferroelettrico che memorizza ed esegue calcoli su larga scala

Elettronica e sensori INSIDER La rivoluzione dei Big Data ha messo a dura prova le capacità dell'hardware elettronico all'avanguardia, sfidando gli ingegneri a ripensare quasi ogni aspetto del microchip. Con

Elettronica e sensori INSIDER

La rivoluzione dei Big Data ha messo a dura prova le capacità dell’hardware elettronico all’avanguardia, sfidando gli ingegneri a ripensare quasi ogni aspetto del microchip. Con set di dati sempre più enormi da archiviare, cercare e analizzare a livelli di complessità crescenti, questi dispositivi devono diventare più piccoli, più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico per stare al passo con l’innovazione dei dati.

I transistor a effetto di campo ferroelettrico (FE-FET) sono tra le risposte più intriganti a questa sfida. Come i tradizionali transistor a base di silicio, i FE-FET sono interruttori che si accendono e si spengono a velocità incredibile per comunicare gli 1 e gli 0 utilizzati dai computer per eseguire le loro operazioni. Ma i FE-FET hanno una funzione aggiuntiva che i transistor convenzionali non hanno: le loro proprietà ferroelettriche consentono loro di trattenere la carica elettrica.

Questa proprietà consente loro di fungere da dispositivi di memoria non volatile e da dispositivi informatici. In grado sia di archiviare che di elaborare dati, i FE-FET sono oggetto di un'ampia gamma di progetti di ricerca e sviluppo. Un progetto FE-FET di successo ridurrebbe drasticamente le dimensioni e le soglie di utilizzo dell’energia dei dispositivi tradizionali, oltre ad aumentare la velocità.

Un recente studio pubblicato su Nature Nanotechnology condotto da Deep Jariwala, professore associato presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e dei sistemi (ESE) e Kwan-Ho Kim, Ph.D. candidato nel suo laboratorio, ha presentato il progetto. Hanno collaborato con i colleghi della facoltà Penn Engineering Troy Olsson, anche professore associato in ESE, ed Eric Stach, Robert D. Bent professore di ingegneria presso il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali (MSE) e direttore del laboratorio per la ricerca sulla struttura di Materia (LRSM).

Il transistor sovrappone un semiconduttore bidimensionale chiamato bisolfuro di molibdeno (MoS2) sopra un materiale ferroelettrico chiamato nitruro di scandio di alluminio (AlScN), dimostrando per la prima volta che questi due materiali possono essere efficacemente combinati per creare transistor su scale attraenti per la produzione industriale. .

"Poiché abbiamo realizzato questi dispositivi combinando un materiale isolante ferroelettrico con un semiconduttore 2D, entrambi sono molto efficienti dal punto di vista energetico", ha affermato Jariwala. "Puoi usarli per il calcolo e per la memoria, in modo intercambiabile e con alta efficienza."

Il dispositivo si distingue per la sua sottigliezza senza precedenti, consentendo a ogni singolo dispositivo di funzionare con una quantità minima di superficie. Inoltre, i piccoli dispositivi possono essere prodotti in grandi array scalabili su piattaforme industriali.

"Con il nostro semiconduttore, MoS2, a soli 0,7 nanometri, non eravamo sicuri che potesse sopravvivere alla quantità di carica che il nostro materiale ferroelettrico, AlScN, gli avrebbe iniettato", afferma Kim. “Con nostra sorpresa, non solo sono sopravvissuti entrambi, ma anche la quantità di corrente che consente al semiconduttore di trasportare è stata da record”.

Maggiore è la quantità di corrente che un dispositivo può trasportare, più velocemente potrà funzionare per le applicazioni informatiche. Minore è la resistenza, maggiore è la velocità di accesso alla memoria.

Questa combinazione MoS2 e AlScN rappresenta una vera svolta nella tecnologia dei transistor. I FE-FET di altri gruppi di ricerca sono stati costantemente ostacolati da una perdita di proprietà ferroelettriche poiché i dispositivi si miniaturizzano per avvicinarsi a scale adeguate al settore.

Fino a questo studio, la miniaturizzazione dei FE-FET ha comportato una grave riduzione della “finestra di memoria”. Ciò significa che man mano che gli ingegneri riducono le dimensioni del progetto del transistor, il dispositivo sviluppa una memoria inaffidabile, compromettendone le prestazioni complessive.

Il laboratorio di Jariwala e i suoi collaboratori hanno ottenuto un design che mantiene la finestra di memoria ampia con dimensioni del dispositivo straordinariamente ridotte. Con AlScN a 20 nanometri e MoS2 a 0,7 nanometri, FE-FET memorizza in modo affidabile i dati per un rapido accesso.

“La chiave”, afferma Olsson, “è il nostro materiale ferroelettrico, AlScN. A differenza di molti materiali ferroelettrici, mantiene le sue proprietà uniche anche quando è molto sottile. In un recente articolo del mio gruppo, abbiamo dimostrato che può mantenere le sue proprietà ferroelettriche uniche anche a spessori più piccoli: 5 nanometri”.