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半导体芯片迎大突破!全新铁电晶体管更小、更快、更节能

来源:科创板日报 发布时间: 2023-07-15 11:19:21 编辑:夕歌

导读:近期,美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院(University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science)的研究人员就研发了一种新的FE-FET设计,在计算和存储方面都展示了破纪录的性能。

最先进的电子硬件在大数据革命面前都显得有些“捉襟见肘”,这迫使工程师重新思考微芯片的几乎每一个方面。随着数据集的存储、搜索和分析越来越复杂,这些设备就必须变得更小、更快、更节能,以跟上数据创新的步伐。

铁电场效应晶体管(FE-FETs)是应对这一挑战的最有趣的答案之一。这是一种具有铁电性能的场效应晶体管。它利用铁电材料的非易失记忆性质,在其中植入场效应和电荷积累,实现了长期稳定的记忆效应。

与传统存储器相比,它具有低功耗、高速度、高密度等优势。因此,一个成功的FE-FET设计可以大大降低传统器件的尺寸和能量使用阈值,并提高速度。

近期,美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院(University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science)的研究人员就研发了一种新的FE-FET设计,在计算和存储方面都展示了破纪录的性能。

最近,由电气与系统工程系(ESE)副教授Deep Jariwala和他实验室的博士候选人Kwan-Ho Kim首次推出了这种设计,他们的研究成果也已发表在了《自然纳米技术》杂志上。

据悉,这种全新的晶体管在铁电材料氮化铝钪(AlScN)上覆盖了一种叫做二硫化钼(MoS2)的二维半导体,首次证明了这两种材料可以有效地结合在一起,制造出对工业制造有吸引力的晶体管。

Jariwala说:“因为我们把铁电绝缘体材料和二维半导体结合在一起,所以两者都非常节能。你可以把它们用于计算和存储,效率也很高。”

据称,该设备以其前所未有的薄而闻名,允许每个单独的设备以最小的表面积运行。此外,这些微型设备可以以可扩展到工业平台的大型阵列制造。

 

“我们的半导体(MoS2)只有0.7纳米,起初我们不确定它是否能承受我们的铁电材料AlScN注入其中的大量电荷,”研究人员说,“令我们惊讶的是,它们不仅都抗了下来,而且使半导体能够携带的电流量也打破了纪录。”

研究人员进一步解释称,一个设备可以携带的电流越多,它在计算应用上的运行速度就越快。电阻越低,存储器的访问速度越快。

他们还称,MoS2和AlScN的结合是晶体管技术的真正突破。由于要使器件小型化,其他研究团队的FE-FET一直受到铁电特性损失的阻碍。在这项研究之前,小型化FE-FET导致了“记忆窗口”的严重缩小,影响其整体性能。

研究人员说,“我们的新设计使用了20纳米的AlScN和0.7纳米的MoS2,FE-FET能可靠地存储数据,并实现快速访问。”

“关键是我们的铁电材料AlScN。与许多铁电材料不同,它即使很薄也能保持其独特的性能。我们证明了它可以在更薄的厚度(5纳米)下保持其独特的铁电特性。”他们补充说。

研究团队表示,下一步他们的工作将集中在进一步小型化上,以生产出在足够低的电压下工作的设备,并兼容领先的消费设备制造。

“我们的FE-FET非常有前途,”Jariwala说。“随着进一步发展,这些多功能设备几乎可以在你能想到的任何技术中占有一席之地,尤其是那些支持人工智能并消费、生成或处理大量数据的技术——从传感到通信等等。”