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Jun 03, 2023

Un transistor ferroeléctrico que almacena y calcula a escala

Electrónica y sensores INSIDER La revolución del Big Data ha puesto a prueba las capacidades del hardware electrónico de última generación, desafiando a los ingenieros a repensar casi todos los aspectos del microchip. Con

Electrónica y sensores INSIDER

La revolución de Big Data ha puesto a prueba las capacidades del hardware electrónico de última generación, desafiando a los ingenieros a repensar casi todos los aspectos del microchip. Con conjuntos de datos cada vez más enormes para almacenar, buscar y analizar a niveles de complejidad cada vez mayores, estos dispositivos deben volverse más pequeños, más rápidos y más eficientes energéticamente para mantenerse al día con el ritmo de la innovación de datos.

Los transistores de efecto de campo ferroeléctrico (FE-FET) se encuentran entre las respuestas más intrigantes a este desafío. Al igual que los transistores tradicionales basados ​​en silicio, los FE-FET son interruptores que se encienden y apagan a una velocidad increíble para comunicar los 1 y 0 que las computadoras utilizan para realizar sus operaciones. Pero los FE-FET tienen una función adicional que los transistores convencionales no tienen: sus propiedades ferroeléctricas les permiten retener la carga eléctrica.

Esta propiedad les permite servir como dispositivos de memoria no volátil y como dispositivos informáticos. Capaces de almacenar y procesar datos, los FE-FET son objeto de una amplia gama de proyectos de investigación y desarrollo. Un diseño FE-FET exitoso reduciría drásticamente los umbrales de tamaño y uso de energía de los dispositivos tradicionales, además de aumentar la velocidad.

Un estudio reciente publicado en Nature Nanotechnology dirigido por Deep Jariwala, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas (ESE) y Kwan-Ho Kim, Ph.D. candidato en su laboratorio, debutó el diseño. Colaboraron con los miembros de la facultad de Penn Engineering, Troy Olsson, también profesor asociado en ESE, y Eric Stach, profesor de ingeniería Robert D. Bent en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) y director del Laboratorio de Investigación sobre la Estructura de Materia (LRSM).

El transistor coloca un semiconductor bidimensional llamado disulfuro de molibdeno (MoS2) sobre un material ferroeléctrico llamado nitruro de aluminio y escandio (AlScN), lo que demuestra por primera vez que estos dos materiales se pueden combinar eficazmente para crear transistores a escalas atractivas para la fabricación industrial. .

"Como hemos fabricado estos dispositivos combinando un material aislante ferroeléctrico con un semiconductor 2D, ambos son muy eficientes energéticamente", afirmó Jariwala. "Puedes usarlos tanto para computación como para memoria, indistintamente y con alta eficiencia".

El dispositivo destaca por su delgadez sin precedentes, lo que permite que cada dispositivo individual funcione con una cantidad mínima de superficie. Además, los pequeños dispositivos se pueden fabricar en grandes conjuntos escalables a plataformas industriales.

"Con nuestro semiconductor, MoS2, de tan solo 0,7 nanómetros, no estábamos seguros de que pudiera sobrevivir a la cantidad de carga que nuestro material ferroeléctrico, AlScN, le inyectaría", dice Kim. "Para nuestra sorpresa, no sólo ambos sobrevivieron, sino que la cantidad de corriente que esto permite transportar al semiconductor también batió récords".

Cuanto más actual pueda transportar un dispositivo, más rápido podrá funcionar para aplicaciones informáticas. Cuanto menor sea la resistencia, más rápida será la velocidad de acceso a la memoria.

Esta combinación de MoS2 y AlScN es un verdadero avance en la tecnología de transistores. Los FE-FET de otros equipos de investigación se han visto constantemente obstaculizados por una pérdida de propiedades ferroeléctricas a medida que los dispositivos se miniaturizan para acercarse a escalas apropiadas para la industria.

Hasta este estudio, la miniaturización de los FE-FET había dado lugar a una grave reducción de la "ventana de memoria". Esto significa que a medida que los ingenieros reducen el tamaño del diseño del transistor, el dispositivo desarrolla una memoria poco confiable, lo que compromete su rendimiento general.

El laboratorio de Jariwala y sus colaboradores lograron un diseño que mantiene grande la ventana de memoria con dimensiones de dispositivo impresionantemente pequeñas. Con AlScN a 20 nanómetros y MoS2 a 0,7 nanómetros, el FE-FET almacena datos de forma fiable para un acceso rápido.

“La clave”, afirma Olsson, “es nuestro material ferroeléctrico, AlScN. A diferencia de muchos materiales ferroeléctricos, mantiene sus propiedades únicas incluso cuando es muy delgado. En un artículo reciente de mi grupo, demostramos que puede conservar sus propiedades ferroeléctricas únicas en espesores aún más pequeños: 5 nanómetros”.

Los próximos pasos del equipo se centran en una mayor miniaturización para producir dispositivos que funcionen con voltajes lo suficientemente bajos como para ser compatibles con la fabricación de dispositivos de consumo de vanguardia.

"Nuestros FE-FET son increíblemente prometedores", afirma Jariwala. "Con un mayor desarrollo, estos dispositivos versátiles podrían tener un lugar en casi cualquier tecnología que se pueda imaginar, especialmente aquellas que están habilitadas para IA y consumen, generan o procesan grandes cantidades de datos, desde sensores hasta comunicaciones y más".

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