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Jun 03, 2023

대규모로 저장하고 계산하는 강유전성 트랜지스터

전자 및 센서 내부자 빅 데이터 혁명으로 인해 최첨단 전자 하드웨어의 성능이 저하되어 엔지니어는 마이크로칩의 거의 모든 측면을 다시 생각하게 되었습니다. 와 함께

전자 및 센서 내부자

빅 데이터 혁명으로 인해 최첨단 전자 하드웨어의 성능이 저하되어 엔지니어는 마이크로칩의 거의 모든 측면을 다시 생각하게 되었습니다. 점점 더 복잡해지는 수준에서 저장, 검색 및 분석해야 하는 데이터 세트가 점점 더 많아짐에 따라 이러한 장치는 데이터 혁신의 속도를 따라잡기 위해 더 작고, 더 빠르고, 더 에너지 효율적이어야 합니다.

강유전성 전계 효과 트랜지스터(FE-FET)는 이러한 과제에 대한 가장 흥미로운 답변 중 하나입니다. 기존의 실리콘 기반 트랜지스터와 마찬가지로 FE-FET는 컴퓨터가 작업을 수행하는 데 사용하는 1과 0을 통신하기 위해 놀라운 속도로 켜고 끄는 스위치입니다. 그러나 FE-FET에는 기존 트랜지스터에는 없는 추가 기능이 있습니다. 즉, 강유전성 특성으로 인해 전하를 유지할 수 있습니다.

이 속성을 통해 컴퓨팅 장치는 물론 비휘발성 메모리 장치로도 사용할 수 있습니다. 데이터를 저장하고 처리할 수 있는 FE-FET는 광범위한 연구 개발 프로젝트의 주제입니다. 성공적인 FE-FET 설계는 기존 장치의 크기와 에너지 사용 임계값을 크게 낮추고 속도를 향상시킵니다.

전기 및 시스템 공학과(ESE) 부교수 Deep Jariwala와 김관호 박사가 이끄는 Nature Nanotechnology에 최근 발표된 연구입니다. 연구실의 후보자가 디자인을 선보였습니다. 그들은 Penn Engineering의 동료 교수진인 Troy Olsson(ESE 부교수), 재료 과학 및 공학부(MSE) 공학 교수이자 구조 연구 실험실 소장인 Eric Stach와 협력했습니다. 물질(LRSM).

트랜지스터는 질화알루미늄 스칸듐(AlScN)이라는 강유전성 물질 위에 이황화 몰리브덴(MoS2)이라는 2차원 반도체를 적층하여 이 두 물질을 효과적으로 결합하여 산업 제조에 매력적인 규모의 트랜지스터를 생성할 수 있음을 처음으로 입증했습니다. .

“우리는 강유전성 절연체 재료와 2D 반도체를 결합한 이러한 장치를 만들었기 때문에 둘 다 매우 에너지 효율적입니다.”라고 Jariwala는 말했습니다. "컴퓨팅은 물론 메모리에도 사용할 수 있습니다. 상호 교환 가능하며 효율성이 높습니다."

이 장치는 전례 없는 두께로 인해 각 개별 장치가 최소한의 표면적에서 작동할 수 있습니다. 또한, 소형 장치는 산업용 플랫폼으로 확장 가능한 대규모 어레이로 제조될 수 있습니다.

“단지 0.7나노미터 크기의 반도체 MoS2를 사용하면 강유전성 물질인 AlScN이 주입하는 전하량을 견딜 수 있을지 확신할 수 없었습니다.”라고 Kim은 말했습니다. “놀랍게도 둘 다 살아남았을 뿐만 아니라, 이로 인해 반도체가 운반할 수 있는 전류량도 기록적인 수준이었습니다.”

장치가 더 많은 전류를 전달할 수 있을수록 컴퓨팅 애플리케이션에서 더 빠르게 작동할 수 있습니다. 저항이 낮을수록 메모리 액세스 속도가 빨라집니다.

이 MoS2와 AlScN의 조합은 트랜지스터 기술의 진정한 혁신입니다. 다른 연구팀의 FE-FET는 장치가 산업에 적합한 규모에 접근하기 위해 소형화됨에 따라 강유전성 특성의 손실로 인해 지속적으로 어려움을 겪어 왔습니다.

이번 연구까지 FE-FET를 소형화하면 '메모리 창'이 심각하게 줄어들었습니다. 이는 엔지니어가 트랜지스터 설계의 크기를 줄이면 장치가 신뢰할 수 없는 메모리를 개발하여 전체 성능을 저하시킨다는 것을 의미합니다.

Jariwala 연구실과 공동 작업자는 놀랍도록 작은 장치 크기로 메모리 창을 크게 유지하는 설계를 달성했습니다. 20나노미터의 AlScN과 0.7나노미터의 MoS2를 갖춘 FE-FET는 빠른 액세스를 위해 데이터를 안정적으로 저장합니다.

Olsson은 “핵심은 우리의 강유전성 물질인 AlScN입니다. 많은 강유전성 물질과 달리 매우 얇아도 고유한 특성을 유지합니다. 우리 그룹의 최근 논문에서 우리는 5나노미터의 더 작은 두께에서도 고유한 강유전성 특성을 유지할 수 있음을 보여주었습니다."