半导体芯片迎大突破！全新铁电晶体管更小、更快、更节能

科创板日报 2023-07-14 21:03

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与传统存储器相比，铁电场效应晶体管（FE-FETs）具有低功耗、高速度、高密度等优势；全新FE-FET设计在计算和存储方面都展示了破纪录的性能；研究人员把铁电绝缘体材料和二维半导体结合在了一起。

编辑 | 黄君芝

最先进的电子硬件在大数据革命面前都显得有些“捉襟见肘”，这迫使工程师重新思考微芯片的几乎每一个方面。随着数据集的存储、搜索和分析越来越复杂，这些设备就必须变得更小、更快、更节能，以跟上数据创新的步伐。

铁电场效应晶体管（FE-FETs）是应对这一挑战的最有趣的答案之一。这是一种具有铁电性能的场效应晶体管。它利用铁电材料的非易失记忆性质，在其中植入场效应和电荷积累，实现了长期稳定的记忆效应。

与传统存储器相比，它具有低功耗、高速度、高密度等优势。因此，一个成功的FE-FET设计可以大大降低传统器件的尺寸和能量使用阈值，并提高速度。

近期，美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院（University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science）的研究人员就研发了一种新的FE-FET设计，在计算和存储方面都展示了破纪录的性能。

最近，由电气与系统工程系（ESE）副教授Deep Jariwala和他实验室的博士候选人Kwan-Ho Kim首次推出了这种设计，他们的研究成果也已发表在了《自然纳米技术》杂志上。

据悉，这种全新的晶体管在铁电材料氮化铝钪（AlScN）上覆盖了一种叫做二硫化钼（MoS2）的二维半导体，首次证明了这两种材料可以有效地结合在一起，制造出对工业制造有吸引力的晶体管。

Jariwala说：“因为我们把铁电绝缘体材料和二维半导体结合在一起，所以两者都非常节能。你可以把它们用于计算和存储，效率也很高。”

据称，该设备以其前所未有的薄而闻名，允许每个单独的设备以最小的表面积运行。此外，这些微型设备可以以可扩展到工业平台的大型阵列制造。

“我们的半导体（MoS2）只有0.7纳米，起初我们不确定它是否能承受我们的铁电材料AlScN注入其中的大量电荷，”研究人员说，“令我们惊讶的是，它们不仅都抗了下来，而且使半导体能够携带的电流量也打破了纪录。”

研究人员进一步解释称，一个设备可以携带的电流越多，它在计算应用上的运行速度就越快。电阻越低，存储器的访问速度越快。

他们还称，MoS2和AlScN的结合是晶体管技术的真正突破。由于要使器件小型化，其他研究团队的FE-FET一直受到铁电特性损失的阻碍。在这项研究之前，小型化FE-FET导致了“记忆窗口”的严重缩小，影响其整体性能。

研究人员说，“我们的新设计使用了20纳米的AlScN和0.7纳米的MoS2，FE-FET能可靠地存储数据，并实现快速访问。”

“关键是我们的铁电材料AlScN。与许多铁电材料不同，它即使很薄也能保持其独特的性能。我们证明了它可以在更薄的厚度（5纳米）下保持其独特的铁电特性。”他们补充说。

研究团队表示，下一步他们的工作将集中在进一步小型化上，以生产出在足够低的电压下工作的设备，并兼容领先的消费设备制造。

“我们的FE-FET非常有前途，”Jariwala说。“随着进一步发展，这些多功能设备几乎可以在你能想到的任何技术中占有一席之地，尤其是那些支持人工智能并消费、生成或处理大量数据的技术——从传感到通信等等。”

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