Ein Hauptziel im Bereich der Elektrotechnik ist die Entwicklung von Transistoren und anderen elektronischen Bauteilen, die immer kompakter und effizienter werden und dabei leicht verfügbare Prozesse und Materialien nutzen. Zu den Transistoren, die sich als besonders vielversprechend erwiesen haben, gehören ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FE-FETs), die herkömmlichen FETs ähneln, aber auch ferroelektrische Materialien enthalten.
FE-FETs enthalten Gate-Isolatoren aus ferroelektrischen Materialien, die elektrische Ladung sowohl schalten als auch speichern können. Diese ferroelektrischen Transistoren könnten daher nicht nur den Stromfluss in elektronischen Geräten wie herkömmlichen FETs regulieren, sondern auch als Speichergeräte dienen.
Diese Doppelfunktion könnte für rechenintensive Anwendungen wie die Ausführung von Modellen der künstlichen Intelligenz (KI) von großem Vorteil sein, da sie es Geräten ermöglichen könnte, ihren Betrieb besser zu unterstützen, ohne zu viel Strom zu verbrauchen. Trotz ihres Potenzials wurden FE-FETs noch nicht in großem Maßstab eingeführt, auch weil sich ihre zuverlässige Herstellung in großem Maßstab mit bestehenden Prozessen als Herausforderung erwiesen hat.
Forscher der University of Pennsylvania, der Penn State University und anderer Universitäten weltweit haben kürzlich eine Strategie zur Herstellung von FE-FETs vorgestellt, die ähnliche Verfahren wie die derzeit zur Herstellung von FETs verwendeten Verfahren verwenden. Ihr Artikel, veröffentlicht in Natur-Nanotechnologiekönnte den Weg für die weitverbreitete Einführung dieser Doppelfunktionstransistoren ebnen.
„Die Hauptmotivation unserer Studie bestand darin, zu zeigen, dass sowohl 2D-Halbleitermaterialien wie MoS2 als auch Nitrid-Ferroelektrika wie AlScN (d. h. Aluminium-Scandiumnitrid) für die Realisierung kompakter, stromsparender und schneller nichtflüchtiger Speichergeräte sehr attraktiv sind direkt auf der Si-CMOS-Technologie in einem Back-End-of-Line-Prozess (BEOL) integriert“, sagte Deep Jariwala, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. „Wir haben uns für diese Anwendung 2D-Materialien und AlScN angesehen Seit einiger Zeit. Unser vorliegender Aufsatz ist eine Paradebeispiel für Materialien, die auf große Flächen skaliert werden, und Geräte, die auf sehr kleine Abmessungen und Betriebsspannungen verkleinert werden.“
Aufgrund ihrer Fähigkeit, elektrische Ladung fast unbegrenzt zu speichern und zu schalten, selbst wenn eine an ihrem Gate angelegte Spannung entfernt wird, könnten FE-FETs auch als nichtflüchtige Speichervorrichtungen fungieren. Das Hauptziel der Studie von Jariwala und seinen Kollegen bestand darin, zu beweisen, dass FE-FETs erfolgreich in Silizium-Halbleitermaterialien integriert werden können und so hergestellt werden können, um den hohen Bandbreitenspeicherbedarf von Big-Data-Anwendungen zu unterstützen.
„Die von FE-FETs gespeicherte Ladung moduliert auch die Leitfähigkeit des 2D-Halbleiters in einen Zustand mit hohem oder niedrigem Widerstand, der tatsächlich die im Speichergerät gespeicherten Informationen darstellt“, erklärte Jariwala. „Der Hauptvorteil unserer Strategie liegt in der Kombination von ferroelektrischem AlScN-Material, das über hervorragende ferroelektrische Eigenschaften verfügt und in BEOL-kompatiblen Prozessen abgeschieden werden kann, und 2D-Halbleitern, die aufgrund ihrer dünnen Beschaffenheit und Van-der-Waals-Struktur eine starke Modulation ermöglichen können Leitfähigkeit und lässt sich zudem relativ einfach integrieren.“
Die von den Forschern entwickelten FE-FETs integrieren Kanäle aus einem 2D-Halbleiter mit einem ferroelektrischen Material namens AlScN, die beide mit herkömmlichen, Wafer-skalierbaren Prozessen gezüchtet wurden. Das Team testete eine Vielzahl seiner FE-FETs in einer Reihe von Tests und stellte fest, dass sie eine bemerkenswert gute Leistung erbrachten und Speicherfenster von mehr als 7,8 V, EIN/AUS-Verhältnisse von mehr als 107 und eine EIN-Stromdichte von mehr als 250 μA um aufwiesen. 1 bei ~80 nm Kanallänge.
„Unsere Demonstration beweist, dass 2D-Halbleiter/AlScN-FE-FET-Geräte für die Integration mit Si-CMOS bereit sind, um Big-Data-Computing, das Speicher mit hoher Bandbreite erfordert, mit Prozessoren in zukünftige Generationen von Computerhardware zu integrieren“, sagte Jariwala.
„Beide Materialklassen werden ausgereift, und unsere Arbeit schafft eine Brücke für den Sprung vom Labor in die Gießerei dieser Materialien und Speichergeräte.“
Die jüngsten Arbeiten von Jariwala und seinen Kollegen könnten bald zur groß angelegten Implementierung von FE-FETs beitragen. Die bisher von ihnen entwickelten Prototypen schalten die Spannung bei 3–4 Volt, können Daten gut speichern und könnten problemlos in einige aktuelle Silizium-CMOS-Prozessoren integriert werden. In ihren nächsten Studien hoffen die Forscher, ihre Größe weiter zu reduzieren, da dies ihre Integration in Geräte der Unterhaltungselektronik erleichtern könnte.
„Um ihre Vorteile und Leistungssteigerungen beim Big-Data-Computing wirklich zu erkennen, müssen wir diese Geräte weiter verkleinern“, fügte Jariwala hinzu. „Wir arbeiten jetzt darauf hin, und wie in einem anderen gezeigt Aktuelles Papier Bei uns kann ferroelektrisches AlScN zuverlässig mit einer Dicke von 5 nm hergestellt und geschaltet werden. Unser nächster Schritt wird darin bestehen, 2D-Materialien zu integrieren und FE-FETs aus 5 nm dicken AlScN-Filmen herzustellen, um tatsächlich Geräte zu realisieren und Betriebsspannungen zu erreichen, die mit führenden Si-CMOS-Prozessoren kompatibel sind. Auf der Ebene der FE-FET-Geräte müssen wir außerdem mehr an der Verbesserung der Kontaktwiderstandswerte von Metall-/2D-Halbleitern arbeiten und auch FE-FET-Geräte vom p-Typ herstellen.“
Mehr Informationen:
Kwan-Ho Kim et al., Skalierbare CMOS-Back-End-of-Line-kompatible AlScN/zweidimensionale ferroelektrische Feldeffekttransistoren mit Kanal, Natur-Nanotechnologie (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01399-y
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