更小、更快、更節能，半導體芯片迎大突破

最先進(jìn)的電子硬件在大數據革命面前都顯得有些“捉襟見(jiàn)肘”，這迫使工程師重新思考微芯片的幾乎每一個(gè)方面。隨著(zhù)數據集的存儲、搜索和分析越來(lái)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(chuàng )新的步伐。

鐵電場(chǎng)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(chǎng)效應晶體管。它利用鐵電材料的非易失記憶性質(zhì)，在其中植入場(chǎng)效應和電荷積累，實(shí)現了長(cháng)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(yōu)勢。因此，一個(gè)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(xué)工程與應用科學(xué)學(xué)院（University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science）的研究人員就研發(fā)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(shí)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(fā)表在了《自然納米技術(shù)》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(yè)制造有吸引力的晶體管。

Jariwala說(shuō)：“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?xún)烧叨挤浅９澞?。你可以把它們用于計算和存儲，效率也很高?！?/p>

據稱(chēng)，該設備以其前所未有的薄而聞名，允許每個(gè)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(yè)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(shuō)，“令我們驚訝的是，它們不僅都抗了下來(lái)，而且使半導體能夠攜帶的電流量也打破了紀錄?！?/p>

研究人員進(jìn)一步解釋稱(chēng)，一個(gè)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(fǎng)問(wèn)速度越快。

他們還稱(chēng)，MoS2和AlScN的結合是晶體管技術(shù)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(shuō)，“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(shí)現快速訪(fǎng)問(wèn)?！?/p>

“關(guān)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?！彼麄冄a充說(shuō)。

研究團隊表示，下一步他們的工作將集中在進(jìn)一步小型化上，以生產(chǎn)出在足夠低的電壓下工作的設備，并兼容領(lǐng)先的消費設備制造。

“我們的FE-FET非常有前途，”Jariwala說(shuō)?！半S著(zhù)進(jìn)一步發(fā)展，這些多功能設備幾乎可以在你能想到的任何技術(shù)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(shù)——從傳感到通信等等?！?/p>