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17
2023
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07
更小、更快、更節能，半導體芯片迎大突破
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先進的電子硬件在大數據革命面前都顯得有些“捉襟見肘”，這迫使工程 師重新思考微芯片的幾乎每一個方面。隨著數據集的存儲、搜索和分析越來越復 雜，這些設備就必須變得更小、更快、更節能，以跟上數據創新的步伐。
鐵電場效應晶體管（FE-FETs）是應對這一挑戰的最有趣的答案之一。這是一 種具有鐵電性能的場效應晶體管。它利用鐵電材料的非易失記憶性質，在其中植 入場效應和電荷積累，實現了長期穩定的記憶效應。
與傳統存儲器相比，它具有低功耗、高速度、高密度等優勢。因此，一個成 功的 FE-FET 設計可以大大降低傳統器件的尺寸和能量使用閾值，并提高速度。
近期，美國賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院（University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science）的研究人員就研發了一種新的 FE -FET 設計，在計算和存儲方面都展示了破紀錄的性能。
最近，由電氣與系統工程系（ESE）副教授 Deep Jariwala 和他實驗室的博士 候選人 Kwan-Ho Kim 首次推出了這種設計，他們的研究成果也已發表在了《自 然納米技術》雜志上。
據悉，這種全新的晶體管在鐵電材料氮化鋁鈧（AlScN）上覆蓋了一種叫做 二硫化鉬（MoS2）的二維半導體，首次證明了這兩種材料可以有效地結合在一 起，制造出對工業制造有吸引力的晶體管。
Jariwala 說：“因為我們把鐵電絕緣體材料和二維半導體結合在一起，所以 兩者都非常節能。你可以把它們用于計算和存儲，效率也很高。”
據稱，該設備以其前所未有的薄而聞名，允許每個單獨的設備以最小的表面 積運行。此外，這些微型設備可以以可擴展到工業平臺的大型陣列制造。
“我們的半導體（MoS2）只有 0.7 納米，起初我們不確定它是否能承受我 們的鐵電材料 AlScN 注入其中的大量電荷，”研究人員說，“令我們驚訝的是， 它們不僅都抗了下來，而且使半導體能夠攜帶的電流量也打破了紀錄。”
研究人員進一步解釋稱，一個設備可以攜帶的電流越多，它在計算應用上的 運行速度就越快。電阻越低，存儲器的訪問速度越快。
他們還稱，MoS2 和 AlScN 的結合是晶體管技術的真正突破。由于要使器件 小型化，其他研究團隊的 FE-FET 一直受到鐵電特性損失的阻礙。在這項研究之 前，小型化 FE-FET 導致了“記憶窗口”的嚴重縮小，影響其整體性能。
研究人員說，“我們的新設計使用了 20 納米的 AlScN 和 0.7 納米的 MoS2， FE-FET 能可靠地存儲數據，并實現快速訪問。”
“關鍵是我們的鐵電材料 AlScN。與許多鐵電材料不同，它即使很薄也能保 持其獨特的性能。我們證明了它可以在更薄的厚度（5 納米）下保持其獨特的鐵 電特性。”他們補充說。
研究團隊表示，下一步他們的工作將集中在進一步小型化上，以生產出在足 夠低的電壓下工作的設備，并兼容領先的消費設備制造。
“我們的 FE-FET 非常有前途，”Jariwala 說。“隨著進一步發展，這些多功 能設備幾乎可以在你能想到的任何技術中占有一席之地，尤其是那些支持人工智 能并消費、生成或處理大量數據的技術——從傳感到通信等等。”
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