In den letzten Jahren haben Ingenieure versucht, alternative Hardwaredesigns zu entwickeln, die es einem einzigen Gerät ermöglichen würden, sowohl Berechnungen durchzuführen als auch Daten zu speichern. Diese neuen elektronischen Geräte, sogenannte Computing-in-Memory-Geräte, könnten zahlreiche Vorteile haben, darunter höhere Geschwindigkeiten und verbesserte Datenanalysefunktionen.
Um Daten sicher zu speichern und einen geringen Stromverbrauch beizubehalten, sollten diese Geräte auf ferroelektrischen Materialien mit vorteilhaften Eigenschaften basieren und deren Dicke verkleinert werden können. Zweidimensionale (2D) Halbleiter, die eine Eigenschaft aufweisen, die als gleitende Ferroelektrizität bekannt ist, haben sich als vielversprechende Kandidaten für die Realisierung von Computing-in-Memory erwiesen. Allerdings kann es sich als schwierig erweisen, in diesen Materialien die erforderliche umschaltbare elektrische Polarisation zu erreichen.
Forscher der National Taiwan Normal University, des Taiwan Semiconductor Research Institute, der National Yang Ming Chiao Tung University und der National Cheng Kung University haben kürzlich eine wirksame Strategie entwickelt, um eine schaltbare elektrische Polarisation in Molybdändisulfid (MoS2) zu erreichen. Benutzen diese Methodebeschrieben in a Naturelektronik In ihrer Arbeit entwickelten sie schließlich neue vielversprechende ferroelektrische Transistoren für Computing-in-Memory-Anwendungen.
„Wir haben zufällig zahlreiche parallel verteilte Domänengrenzen in unseren MoS2-Flocken entdeckt, was mit der Zeit zusammenfiel, als über die experimentelle Bestätigung der gleitenden Ferroelektrizität in 2D-Materialien berichtet wurde“, sagte Tilo H. Yang, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org. „Diese Entdeckung inspirierte uns zu der Überlegung, ob dieses an Domänengrenzen reiche MoS2 für die Entwicklung ferroelektrischer Speicher genutzt werden kann.“
Das Hauptziel der aktuellen Studie von Yang und seinen Kollegen bestand darin, eine vielversprechende Methode zur direkten Synthese von epitaktischem MoS2 mit gleitender Ferroelektrizität zu identifizieren. Die von ihnen identifizierte Herstellungsstrategie ermöglichte es ihnen letztendlich, vielversprechende neue ferroelektrische Transistoren mit vorteilhaften Eigenschaften zu entwickeln.
„Ein wichtiger Schritt bei der Herstellung unserer ferroelektrischen Transistoren ist der Aufbau des 3R-MoS2-Kanals in einem schaltbaren ferroelektrischen Material während des Wachstumsprozesses durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD),“ erklärte Yang. „Die Bildung von Domänengrenzen in 3R-MoS2-Filmen ist notwendig, um die Fähigkeit zu besitzen, polarisierte Domänen zu wechseln; dies ist jedoch in den meisten epitaktischen 3R-MoS2-Filmen selten. In der Arbeit stellten wir eine Synthesestrategie vor, um die Wahrscheinlichkeit von Domänengrenzen zu erhöhen.“ erscheinen im Material und verleihen ihm die Fähigkeit, als Reaktion auf die Gate-Spannung die Domäne umzudrehen.“
Die Forscher bewerteten ihre ferroelektrischen Transistoren in einer Reihe erster Tests und stellten fest, dass sie eine gute Leistung erbrachten und ein durchschnittliches Speicherfenster von 7 V bei einer angelegten Spannung von 10 V, Haltezeiten über 104 Sekunden und eine Lebensdauer von mehr als 104 Zyklen aufwiesen. Diese Ergebnisse unterstreichen ihr Potenzial für Computing-in-Memory-Anwendungen.
„Unsere ferroelektrischen Halbleitertransistoren zeichnen sich durch Nichtflüchtigkeit, Reprogrammierbarkeit und eine gleitende Ferroelektrizität bei niedrigen Schaltfeldern aus und basieren auf durch Schertransformation induzierten Versetzungen in unserem 3R-MoS2-Film“, sagte Yang. „Mit einer Dicke von etwa zwei Atomlagen ist das Gerät eine vielversprechende Komponente, die den Anforderungen modernster CMOS-Technologie gerecht wird, z. B. Sub-3-nm-Knoten.“
In Zukunft könnte die von Yang und seinen Kollegen vorgeschlagene Herstellungsstrategie zur Synthese anderer vielversprechender 2D-Halbleitermaterialien mit gleitender Ferroelektrizität genutzt werden. Diese Materialien könnten wiederum zur Herstellung neuer hochleistungsfähiger Computing-in-Memory-Geräte verwendet werden und so zur künftigen Weiterentwicklung der Elektronik beitragen.
„Unsere Arbeit hat die Schaltfähigkeit epitaktisch gleitender ferroelektrischer Materialien und die Anwendbarkeit dieser kürzlich entdeckten physikalischen Eigenschaft im Hinblick auf das Gedächtnis bewiesen“, fügten Yang und Yann-Wen Lan hinzu. „Unsere epitaktischen Filme bergen ein großes Potenzial für die Entwicklung großer Speichergeräte mit hohem Durchsatz. Mit einem besseren Verständnis der Korrelation zwischen Schaltmechanismen und Domänenmikrostrukturen treiben wir nun die Entwicklung eines Speichers mit hoher Schaltgeschwindigkeit und langer Retention voran.“ .“
Mehr Informationen:
Tilo H. Yang et al., Ferroelektrische Transistoren basierend auf durch Schertransformation vermitteltem rhomboedrisch gestapeltem Molybdändisulfid, Naturelektronik (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-01073-0
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