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Jun 03, 2023

Um transistor ferroelétrico que armazena e calcula em escala

Eletrônica e Sensores INSIDER A revolução do Big Data sobrecarregou as capacidades do hardware eletrônico de última geração, desafiando os engenheiros a repensar quase todos os aspectos do microchip. Com

Eletrônicos e Sensores INSIDER

A revolução do Big Data sobrecarregou as capacidades do hardware eletrônico de última geração, desafiando os engenheiros a repensar quase todos os aspectos do microchip. Com conjuntos de dados cada vez maiores para armazenar, pesquisar e analisar em níveis crescentes de complexidade, estes dispositivos devem tornar-se mais pequenos, mais rápidos e mais eficientes em termos energéticos para acompanhar o ritmo da inovação de dados.

Os transistores ferroelétricos de efeito de campo (FE-FETs) estão entre as respostas mais intrigantes para esse desafio. Como os transistores tradicionais baseados em silício, os FE-FETs são interruptores, ligando e desligando em uma velocidade incrível para comunicar os 1s e 0s que os computadores usam para realizar suas operações. Mas os FE-FETs têm uma função adicional que os transistores convencionais não têm: suas propriedades ferroelétricas permitem que eles mantenham a carga elétrica.

Esta propriedade permite que eles sirvam como dispositivos de memória não volátil, bem como como dispositivos de computação. Capazes de armazenar e processar dados, os FE-FETs são objeto de uma ampla gama de projetos de pesquisa e desenvolvimento. Um projeto FE-FET bem-sucedido reduziria drasticamente o tamanho e os limites de uso de energia dos dispositivos tradicionais, além de aumentar a velocidade.

Um estudo recente publicado na Nature Nanotechnology liderado por Deep Jariwala, Professor Associado do Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas (ESE) e Kwan-Ho Kim, Ph.D. candidato em seu laboratório, estreou o design. Eles colaboraram com Troy Olsson, também professor associado da ESE, e Eric Stach, professor de engenharia Robert D. Bent no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (MSE) e diretor do Laboratório de Pesquisa sobre a Estrutura de Matéria (LRSM).

O transistor coloca um semicondutor bidimensional chamado dissulfeto de molibdênio (MoS2) em cima de um material ferroelétrico chamado nitreto de escândio de alumínio (AlScN), demonstrando pela primeira vez que esses dois materiais podem ser efetivamente combinados para criar transistores em escalas atraentes para a fabricação industrial. .

“Como fabricamos esses dispositivos combinando um material isolante ferroelétrico com um semicondutor 2D, ambos são muito eficientes em termos energéticos”, disse Jariwala. “Você pode usá-los tanto para computação quanto para memória – de forma intercambiável e com alta eficiência.”

O dispositivo é notável por sua espessura sem precedentes, permitindo que cada dispositivo individual opere com uma área de superfície mínima. Além disso, os pequenos dispositivos podem ser fabricados em grandes conjuntos escaláveis ​​para plataformas industriais.

“Com o nosso semicondutor, MoS2, com apenas 0,7 nanômetros, não tínhamos certeza se ele conseguiria sobreviver à quantidade de carga que nosso material ferroelétrico, AlScN, injetaria nele”, diz Kim. “Para nossa surpresa, não apenas os dois sobreviveram, mas a quantidade de corrente que isso permite ao semicondutor transportar também foi recorde.”

Quanto mais corrente um dispositivo puder transportar, mais rápido ele poderá operar em aplicações de computação. Quanto menor a resistência, mais rápida será a velocidade de acesso à memória.

Esta combinação de MoS2 e AlScN é um verdadeiro avanço na tecnologia de transistores. Os FE-FETs de outras equipes de pesquisa têm sido consistentemente frustrados pela perda de propriedades ferroelétricas à medida que os dispositivos são miniaturizados para se aproximarem de escalas apropriadas à indústria.

Até este estudo, a miniaturização de FE-FETs resultou em uma redução severa da “janela de memória”. Isso significa que à medida que os engenheiros reduzem o tamanho do projeto do transistor, o dispositivo desenvolve uma memória não confiável, comprometendo seu desempenho geral.

O laboratório Jariwala e seus colaboradores alcançaram um design que mantém a janela de memória grande com dimensões de dispositivo impressionantemente pequenas. Com AlScN a 20 nanômetros e MoS2 a 0,7 nanômetros, o FE-FET armazena dados de forma confiável para acesso rápido.

“A chave”, diz Olsson, “é o nosso material ferroelétrico, AlScN. Ao contrário de muitos materiais ferroelétricos, mantém suas propriedades únicas mesmo quando muito fino. Num artigo recente do meu grupo, mostramos que ele pode reter suas propriedades ferroelétricas únicas em espessuras ainda menores: 5 nanômetros.”