
Investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania han presentado un nuevo diseño FE-FET que demuestra un rendimiento récord tanto en computación como en memoria. Fuente: Universidad de Pensilvania
La revolución de Big Data ha puesto a prueba las capacidades de los equipos electrónicos de última generación, obligando a los ingenieros a repensar casi todos los aspectos del microchip. Con cantidades cada vez mayores de datos para almacenar, buscar y analizar con niveles de complejidad cada vez mayores, estos dispositivos deben volverse más pequeños, más rápidos y más eficientes energéticamente para seguir el ritmo de la innovación de datos.
Los transistores de efecto de campo ferroeléctrico (FE-FET) son una de las respuestas más intrigantes a este desafío. Al igual que los transistores de silicio tradicionales, los FE-FET son interruptores que se encienden y apagan a velocidades increíbles para comunicarse con los unos y ceros que usan las computadoras para realizar sus operaciones.
Pero los FE-FET tienen una función adicional que los transistores convencionales no tienen: sus propiedades ferroeléctricas les permiten mantener una carga eléctrica.
Esta propiedad les permite ser utilizados como dispositivos de memoria no volátil, así como dispositivos informáticos. Capaces de almacenar y procesar datos, los FE-FET son el foco de muchos proyectos de investigación y desarrollo. Un diseño FE-FET exitoso reduciría drásticamente el tamaño y los umbrales de consumo de energía de los dispositivos tradicionales, además de aumentar la velocidad.
Investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania han presentado un nuevo diseño FE-FET que demuestra un rendimiento récord tanto en computación como en memoria.
Un estudio reciente publicado en Nanotecnología de la naturaleza encabezado por Deep Jariwal, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas (ESE), y el Dr. Kwan-Ho Kim. candidato en su laboratorio, presentó el proyecto. Colaboraron con los miembros de la facultad de Penn Engineering, Troy Olsson, también profesor asociado en ESE, y Eric Stach, profesor de ingeniería de Robert D. Bent en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) y director del Laboratorio de Investigación de la Estructura de la Materia. (LRSM).
El transistor está formado por capas de un semiconductor bidimensional llamado disulfuro de molibdeno (MoS2) en un material ferroeléctrico llamado nitruro de escandio de aluminio (AlScN), demostrando por primera vez que los dos materiales se pueden combinar con éxito para crear transistores en una escala atractiva para la producción industrial.
“Dado que creamos estos dispositivos combinando un material aislante ferroeléctrico con un semiconductor 2D, ambos son muy eficientes energéticamente”, dice Jariwala. “Puede usarlos tanto para computación como para memoria, indistintamente y con gran eficiencia”.
El dispositivo del equipo de Penn Engineering se distingue por una delgadez sin precedentes, gracias a la cual cada dispositivo puede funcionar en un espacio mínimo. Además, los pequeños dispositivos se pueden fabricar en grandes arreglos escalables a plataformas industriales.
“Gracias a nuestro semiconductor MoS2con solo 0,7 nanómetros, no estábamos seguros de si podría soportar la carga que le inyectaría nuestro material ferroeléctrico, AlScN”, dice Kim. “Para nuestra sorpresa, no solo sobrevivieron ambos, sino que la cantidad de corriente que podía transportar el semiconductor también batió récords”.
Cuanta más corriente pueda transportar un dispositivo, más rápido podrá ejecutarse en las aplicaciones informáticas. Cuanto menor sea la resistencia, más rápida será la velocidad de acceso a la memoria.
este MS2 y AlScN es un verdadero avance en la tecnología de transistores. Los FE-FET de otros equipos de investigación se vieron constantemente obstaculizados por la pérdida de propiedades ferroeléctricas a medida que los dispositivos se miniaturizaban para acercarse a la escala apropiada para la industria.
Hasta este estudio, la miniaturización del FE-FET resultó en una reducción severa de la “ventana de memoria”. Esto significa que cuando los ingenieros reducen el tamaño de diseño del transistor, el dispositivo desarrolla una memoria poco confiable, confundiendo unos con ceros y viceversa, degradando el rendimiento general.
El laboratorio de Jariwala y sus colegas desarrollaron un diseño que mantiene la ventana de memoria grande con el tamaño impresionantemente pequeño del dispositivo. 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”, dice Olsson, “es nuestro material ferroeléctrico, AlScN. A diferencia de muchos materiales ferroeléctricos, conserva sus propiedades únicas incluso cuando es muy delgado. artículo reciente en mi grupo, hemos demostrado que podemos preservar sus propiedades ferroeléctricas únicas en espesores aún más delgados: 5 nanómetros”.
Los próximos pasos del equipo de ingeniería de Penn se centran en una mayor miniaturización para producir dispositivos que funcionen a un voltaje lo suficientemente bajo como para ser compatibles con la fabricación de dispositivos de consumo de última generación.
“Nuestros FE-FET son extremadamente prometedores”, dice Jariwala. “Con un mayor desarrollo, estos dispositivos versátiles podrían encontrar un lugar en casi cualquier tecnología que se te ocurra, especialmente aquellas que admiten inteligencia artificial y consumen, generan o procesan grandes cantidades de datos, desde la detección hasta la comunicación y más”.
Más información:
Kwan-Ho Kim et al., CMOS escalable compatible con transistores de efecto de campo ferroeléctrico de canal bidimensional/AlScN de final de línea, Nanotecnología de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01399-y