.
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, esses dispositivos devem se tornar menores, mais rápidos e mais eficientes em termos de energia para acompanhar o ritmo da inovação de dados.
Os transistores de efeito de campo ferroelétrico (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 a 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.
Essa propriedade permite que eles sirvam como dispositivos de memória não voláteis, bem 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 os limites de tamanho e uso de energia dos dispositivos tradicionais, além de aumentar a velocidade.
Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia apresentaram um novo design de FE-FET que demonstra desempenhos recordes em computação e memória.
Um estudo recente publicado na Natureza Nanotecnologia liderado por Deep Jariwala, Professor Associado no Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas (ESE), e Kwan-Ho Kim, Ph.D. candidato em seu laboratório, estreou o design. Eles colaboraram com outros membros do corpo docente da Penn Engineering, Troy Olsson, também professor associado na ESE, e Eric Stach, Robert D. Bent, professor de engenharia 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) sobre 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 fizemos esses dispositivos combinando um material isolante ferroelétrico com um semicondutor 2D, ambos são muito eficientes em termos energéticos”, diz Jariwala. “Você pode usá-los para computação, bem como memória – de forma intercambiável e com alta eficiência.”
O dispositivo da equipe da Penn Engineering é notável por sua espessura sem precedentes, permitindo que cada dispositivo individual opere com uma quantidade mínima de área de superfície. Além disso, os minúsculos dispositivos podem ser fabricados em grandes matrizes escaláveis para plataformas industriais.
“Com nosso semicondutor, MoS2, com apenas 0,7 nanômetros, não tínhamos certeza de que poderia 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 que o semicondutor carregue também foi recorde.”
Quanto mais corrente um dispositivo pode transportar, mais rápido ele pode operar para aplicativos de computação. Quanto menor a resistência, mais rápida 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 bloqueados por uma perda de propriedades ferroelétricas à medida que os dispositivos se miniaturizam para se aproximar das escalas apropriadas da 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, confundindo 1s com 0s e vice-versa, comprometendo seu desempenho geral.
O laboratório Jariwala e seus colaboradores alcançaram um projeto que mantém a janela de memória grande com dimensões de dispositivo impressionantemente pequenas. Com AlScN em 20 nanômetros e MoS2 em 0,7 nanômetros, o FE-FET armazena dados de forma confiável para acesso rápido.
“A chave”, diz Olsson, “é nosso material ferroelétrico, AlScN. Ao contrário de muitos materiais ferroelétricos, ele mantém suas propriedades únicas mesmo quando muito fino. propriedades em espessuras ainda menores: 5 nanômetros.”
Os próximos passos da equipe da Penn Engineering estão focados nessa miniaturização adicional para produzir dispositivos que operem com tensões baixas o suficiente para serem compatíveis com a fabricação de dispositivos de consumo de ponta.
“Nossos FE-FETs são incrivelmente promissores”, diz Jariwala. “Com mais desenvolvimento, esses dispositivos versáteis podem ter um lugar em quase qualquer tecnologia que você possa imaginar, especialmente aquelas que são habilitadas para IA e consomem, geram ou processam grandes quantidades de dados – desde a detecção até as comunicações e muito mais”.
.
