更小、更快、更節(jié)能，半導(dǎo)體芯片迎大突破

最先進(jìn)的電子硬件在大數(shù)據(jù)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(gè)方面。隨著數(shù)據(jù)集的存儲(chǔ)、搜索和分析越來越復(fù)雜，這些設(shè)備就必須變得更小、更快、更節(jié)能，以跟上數(shù)據(jù)創(chuàng)新的步伐。

鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FE-FETs）是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的最有趣的答案之一。這是一種具有鐵電性能的場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)和電荷積累，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期穩(wěn)定的記憶效應(yīng)。

與傳統(tǒng)存儲(chǔ)器相比，它具有低功耗、高速度、高密度等優(yōu)勢(shì)。因此，一個(gè)成功的FE-FET設(shè)計(jì)可以大大降低傳統(tǒng)器件的尺寸和能量使用閾值，并提高速度。

近期，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)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(shè)計(jì)，在計(jì)算和存儲(chǔ)方面都展示了破紀(jì)錄的性能。

最近，由電氣與系統(tǒng)工程系（ESE）副教授Deep Jariwala和他實(shí)驗(yàn)室的博士候選人Kwan-Ho Kim首次推出了這種設(shè)計(jì)，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(jù)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(dǎo)體，首次證明了這兩種材料可以有效地結(jié)合在一起，制造出對(duì)工業(yè)制造有吸引力的晶體管。

Jariwala說：“因?yàn)槲覀儼谚F電絕緣體材料和二維半導(dǎo)體結(jié)合在一起，所以兩者都非常節(jié)能。你可以把它們用于計(jì)算和存儲(chǔ)，效率也很高?！?/p>

據(jù)稱，該設(shè)備以其前所未有的薄而聞名，允許每個(gè)單獨(dú)的設(shè)備以最小的表面積運(yùn)行。此外，這些微型設(shè)備可以以可擴(kuò)展到工業(yè)平臺(tái)的大型陣列制造。

“我們的半導(dǎo)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(dǎo)體能夠攜帶的電流量也打破了紀(jì)錄?！?/p>

研究人員進(jìn)一步解釋稱，一個(gè)設(shè)備可以攜帶的電流越多，它在計(jì)算應(yīng)用上的運(yùn)行速度就越快。電阻越低，存儲(chǔ)器的訪問速度越快。

他們還稱，MoS2和AlScN的結(jié)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(tuán)隊(duì)的FE-FET一直受到鐵電特性損失的阻礙。在這項(xiàng)研究之前，小型化FE-FET導(dǎo)致了“記憶窗口”的嚴(yán)重縮小，影響其整體性能。

研究人員說，“我們的新設(shè)計(jì)使用了20納米的AlScN和0.7納米的MoS2，F(xiàn)E-FET能可靠地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)快速訪問。”

“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(dú)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(dú)特的鐵電特性?！彼麄冄a(bǔ)充說。

研究團(tuán)隊(duì)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(shè)備，并兼容領(lǐng)先的消費(fèi)設(shè)備制造。

“我們的FE-FET非常有前途，”Jariwala說?！半S著進(jìn)一步發(fā)展，這些多功能設(shè)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(fèi)、生成或處理大量數(shù)據(jù)的技術(shù)——從傳感到通信等等?！?/p>