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Jun 03, 2023

大規模な保存と計算を行う強誘電体トランジスタ

エレクトロニクスとセンサー INSIDER ビッグデータ革命により、最先端の電子ハードウェアの機能に負担がかかり、エンジニアはマイクロチップのほぼすべての側面を再考する必要に迫られています。 と

エレクトロニクスとセンサー INSIDER

ビッグデータ革命は最先端の電子ハードウェアの機能に負担をかけており、エンジニアはマイクロチップのほぼすべての側面を再考する必要に迫られています。 保存、検索、分析がさらに複雑になり、膨大なデータセットが増えているため、データ革新のペースに追いつくために、これらのデバイスはより小型、高速、よりエネルギー効率の高いものになる必要があります。

強誘電体電界効果トランジスタ (FE-FET) は、この課題に対する最も興味深い答えの 1 つです。 従来のシリコンベースのトランジスタと同様に、FE-FET はスイッチであり、コンピューターが動作を実行するために使用する 1 と 0 を伝達するために信じられないほどの速度でオンとオフを切り替えます。 しかし、FE-FET には、従来のトランジスタにはない追加の機能があります。それは、その強誘電特性により、電荷を保持できるということです。

この特性により、それらはコンピューティング デバイスだけでなく不揮発性メモリ デバイスとしても機能することができます。 データの保存と処理の両方が可能な FE-FET は、幅広い研究開発プロジェクトの対象となっています。 FE-FET 設計が成功すれば、従来のデバイスのサイズとエネルギー使用量のしきい値が大幅に削減され、速度も向上します。

Nature Nanotechnology に最近の研究が発表されました。電気システム工学部 (ESE) の准教授である Deep Jariwala 氏と博士号の Kwan-Ho Kim 氏が主導しています。 研究室の候補者がデザインをデビューさせました。 彼らは、同じくペンシルバニア大学工学部の教員であるトロイ・オルソン氏（同じくESE准教授）、エリック・スタッハ氏、材料科学工学部（MSE）工学部のロバート・D・ベント教授であり、物質構造研究研究所の所長であるエリック・スタッハ氏と協力した。マター（LRSM）。

このトランジスタは、二硫化モリブデン (MoS2) と呼ばれる二次元半導体を窒化アルミニウムスカンジウム (AlScN) と呼ばれる強誘電体材料の上に積層しており、これら 2 つの材料を効果的に組み合わせて工業生産に魅力的な規模でトランジスタを作成できることを初めて実証しました。 。

「強誘電体絶縁体材料と 2D 半導体を組み合わせてこれらのデバイスを作成したため、どちらも非常にエネルギー効率が高いです」と Jariwala 氏は述べています。 「これらはメモリだけでなくコンピューティングにも使用でき、互換性があり、高効率で使用できます。」

このデバイスは前例のない薄さで注目に値し、個々のデバイスを最小限の表面積で動作させることができます。 さらに、小型デバイスは、産業プラットフォームに拡張可能な大規模なアレイで製造できます。

「当社の半導体 MoS2 の厚さはわずか 0.7 ナノメートルで、強誘電体材料である AlScN が注入する電荷量に耐えられるかどうかはわかりませんでした」と Kim 氏は言います。 「驚いたことに、両方とも生き残っただけでなく、これによって半導体が流すことができる電流の量も記録破りでした。」

デバイスが伝送できる電流が多いほど、コンピューティング アプリケーションの動作が速くなります。 抵抗が低いほど、メモリへのアクセス速度が速くなります。

この MoS2 と AlScN の組み合わせは、トランジスタ技術における真の画期的な進歩です。 他の研究チームのFE-FETは、デバイスが業界に適した規模に近づくために小型化するにつれて、強誘電体特性の損失によって常に妨げられてきました。

この研究が行われるまで、FE-FET の小型化は「メモリ ウィンドウ」の大幅な縮小をもたらしました。 これは、エンジニアがトランジスタ設計のサイズを縮小すると、デバイスの信頼性の低いメモリが開発され、全体的なパフォーマンスが低下することを意味します。

Jariwala の研究室と共同研究者は、デバイスの寸法を驚くほど小さくしながらメモリ ウィンドウを大きく保つ設計を実現しました。 20 ナノメートルの AlScN、0.7 ナノメートルの MoS2 を使用した FE-FET は、迅速なアクセスのためにデータを確実に保存します。

「鍵となるのは、当社の強誘電体材料である AlScN です」とオルソン氏は言います。 多くの強誘電体材料とは異なり、非常に薄くてもその独特の特性を維持します。 私のグループの最近の論文では、5 ナノメートルというさらに薄い厚さでもその独特の強誘電特性を維持できることを示しました。」