Фазово-контрастное решетчатое изображение интерфейса MoS₂/ AlScN. На вставке показана электронограмма стопки пленок на оси зоны подложки Si (100).
Предоставлено: Ким и др.

Ключевой задачей в области инженерии электроники является разработка транзисторов и других электронных компонентов, которые становятся все более компактными и эффективными, с использованием легкодоступных процессов и материалов. Среди транзисторов, которые оказались особенно перспективными, есть ферроэлектрические полевые транзисторы (FE-FET), что напоминают обычные FET, но также содержат ферроэлектрические материалы.

FE-FET содержат изоляторы затвора из ферроэлектрических материалов, которые могут как переключать, так и накапливать электрический заряд. Таким образом, в дополнение к регулированию тока в электронных устройствах, таких как обычные полевые транзисторы, эти ферроэлектрические транзисторы могут также служить в качестве запоминающих устройств.

Эта двойная функция может быть очень выгодной для ресурсоемких приложений, таких как запуск моделей искусственного интеллекта (ИИ), поскольку она может позволить устройствам лучше поддерживать свою работу, не потребляя слишком много энергии. Несмотря на свой потенциал, FE-FET еще не были внедрены в больших масштабах, отчасти потому, что их надежное крупномасштабное производство с использованием существующих процессов оказалось сложной задачей.

Исследователи из Пенсильванского университета, Пенсильванского государственного университета и других университетов мира недавно представили стратегию создания полевых транзисторов на полевых транзисторах с использованием процессов, аналогичных тем, которые в настоящее время используются для производства полевых транзисторов. Их статья, опубликованная в журнале Nature Nanotechnology, может проложить путь к широкому внедрению этих двухфункциональных транзисторов.

Схема полевого транзистора MoS 2 /AlScN FE. Предоставлено: Ким и др.

«Главная цель нашего исследования заключалась в том, чтобы продемонстрировать, что как двумерные полупроводниковые материалы, такие как MoS₂, так и нитридные сегнетоэлектрики, такие как AlScN (то есть нитрид алюминия и скандия), очень привлекательны для создания компактных, маломощных и быстрых устройств энергонезависимой памяти, которые могут быть напрямую интегрированы в технологию Si CMOS в производственный процесс (BEOL)», — сказал Phys.org Дип Джаривала, один из исследователей, проводивших исследование. «Мы рассматривали 2D-материалы и AlScN для этого приложения в течение некоторого времени. Наша настоящая статья представляет собой яркую демонстрацию материалов, увеличенных до больших площадей, и устройств, уменьшенных до очень малых размеров и рабочих напряжений».

Из-за их способности хранить и переключать электрический заряд почти бесконечно, даже когда напряжение, приложенное к их затворному электрону, снимается, FE-FET могут также действовать как устройства энергонезависимой памяти. Основная цель исследования Джаривалы и его коллег заключалась в том, чтобы доказать, что FE-FET могут быть успешно интегрированы с кремниевыми полупроводниковыми материалами и, таким образом, могут быть изготовлены для поддержки требований к памяти с высокой пропускной способностью для приложений больших данных.

«Заряд, сохраняемый FE-FET, также модулирует проводимость 2D-полупроводника в состояние с высоким или низким сопротивлением, которое фактически представляет информацию, хранящуюся в запоминающем устройстве», — пояснил Джаривала. «Ключевое преимущество нашей стратегии заключается в сочетании сегнетоэлектрического материала AlScN, который обладает превосходными сегнетоэлектрическими свойствами и может быть осажден в BEOL-совместимых процессах и двумерных полупроводников, которые благодаря своей тонкой природе и ван-дер-ваальсовой структуре могут обеспечить сильную модуляцию проводимость, а также может быть относительно легко интегрирована».

FE-FET, созданные исследователями, объединяют каналы, сделанные из 2D-полупроводника с сегнетоэлектрическим материалом под названием AlScN, оба из которых были выращены с использованием обычных процессов масштабирования пластин. Команда протестировала большое количество своих полевых транзисторов FE в серии тестов и обнаружила, что они работают на удивление хорошо, демонстрируя окна памяти более 7,8 В, отношения ON/OFF более 10⁷ и плотность тока ON более 250 мкА·мкм^–1 при длине канала ~80 нм.

Передаточные характеристики FE-FET записываются с частотой 10 Гц с интервалом между напряжениями затвора 0,2 В.
Предоставлено: Ким и др.

«Наша демонстрация доказывает, что устройства на 2D-полупроводниках/AlScN FE-FET готовы к интеграции с Si CMOS для обеспечения вычислений больших данных, требующих памяти с высокой пропускной способностью, с процессорами в будущих поколениях компьютерного оборудования», — сказал Джаривала.

«Оба этих класса материалов становятся зрелыми, и наша работа создает мост для перехода от лаборатории к литейному цеху этих материалов и устройств памяти».

Недавняя работа Джаривалы и его коллег вскоре может способствовать крупномасштабному внедрению FE-FET. Прототипы, которые они разработали до сих пор, переключают напряжение при 3–4 вольтах, могут хорошо хранить данные и могут быть легко интегрированы с некоторыми современными кремниевыми CMOS-процессорами. В своих следующих исследованиях исследователи надеются еще больше уменьшить их размер, поскольку это может облегчить их интеграцию в потребительские электронные устройства.

«Чтобы по-настоящему увидеть их преимущества и прирост производительности при обработке больших данных, нам потребуется еще больше уменьшить размеры этих устройств», — добавил Джаривала. «Сейчас мы работаем над этим, и, как показано в другой нашей недавней статье, ферроэлектрический AlScN может быть надежно изготовлен и переключен при толщине 5 нм. Нашим следующим шагом будет интеграция 2D-материалов и изготовление FE-FET из пленки AlScN толщиной 5 нм., чтобы по-настоящему реализовать устройства и достичь рабочих напряжений, которые могут быть совместимы с передовыми процессорами Si CMOS. Устройства FE-FET».