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Jun 03, 2023

Un transistor ferroélectrique qui stocke et calcule à grande échelle

Electronique et capteurs INSIDER La révolution du Big Data a mis à rude épreuve les capacités du matériel électronique de pointe, obligeant les ingénieurs à repenser presque tous les aspects de la puce électronique. Avec

Electronique et capteurs

La révolution du Big Data a mis à rude épreuve les capacités du matériel électronique de pointe, obligeant les ingénieurs à repenser presque tous les aspects de la puce électronique. Avec des ensembles de données toujours plus volumineux à stocker, rechercher et analyser à des niveaux de complexité croissants, ces appareils doivent devenir plus petits, plus rapides et plus économes en énergie pour suivre le rythme de l'innovation en matière de données.

Les transistors à effet de champ ferroélectrique (FE-FET) comptent parmi les réponses les plus intrigantes à ce défi. Comme les transistors traditionnels à base de silicium, les FE-FET sont des commutateurs qui s'allument et s'éteignent à une vitesse incroyable pour communiquer les 1 et les 0 que les ordinateurs utilisent pour effectuer leurs opérations. Mais les FE-FET ont une fonction supplémentaire que les transistors conventionnels n'ont pas : leurs propriétés ferroélectriques leur permettent de conserver la charge électrique.

Cette propriété leur permet de servir de dispositifs de mémoire non volatile ainsi que de dispositifs informatiques. Capables à la fois de stocker et de traiter des données, les FE-FET font l’objet de nombreux projets de recherche et développement. Une conception FE-FET réussie réduirait considérablement les seuils de taille et de consommation d'énergie des appareils traditionnels, tout en augmentant la vitesse.

Une étude récente publiée dans Nature Nanotechnology dirigée par Deep Jariwala, professeur agrégé au Département de génie électrique et des systèmes (ESE) et Kwan-Ho Kim, titulaire d'un doctorat. candidat dans son laboratoire, a lancé la conception. Ils ont collaboré avec Troy Olsson, également professeur agrégé en ESE, et Eric Stach, professeur d'ingénierie Robert D. Bent au Département de science et d'ingénierie des matériaux (MSE) et directeur du Laboratoire de recherche sur la structure de Matière (LRSM).

Le transistor superpose un semi-conducteur bidimensionnel appelé bisulfure de molybdène (MoS2) sur un matériau ferroélectrique appelé nitrure d'aluminium scandium (AlScN), démontrant pour la première fois que ces deux matériaux peuvent être efficacement combinés pour créer des transistors à des échelles attractives pour la fabrication industrielle. .

"Comme nous avons fabriqué ces dispositifs combinant un matériau isolant ferroélectrique avec un semi-conducteur 2D, les deux sont très économes en énergie", a déclaré Jariwala. "Vous pouvez les utiliser aussi bien pour l'informatique que pour la mémoire, de manière interchangeable et avec une grande efficacité."

L'appareil se distingue par sa finesse sans précédent, permettant à chaque appareil individuel de fonctionner avec une surface minimale. De plus, les minuscules dispositifs peuvent être fabriqués dans de grandes matrices évolutives vers des plates-formes industrielles.

« Avec notre semi-conducteur MoS2 mesurant à peine 0,7 nanomètre, nous n'étions pas sûrs qu'il puisse survivre à la quantité de charge que notre matériau ferroélectrique, AlScN, lui injecterait », explique Kim. "À notre grande surprise, non seulement les deux ont survécu, mais la quantité de courant que cela permet au semi-conducteur de transporter a également battu des records."

Plus un appareil peut transporter de courant, plus il peut fonctionner rapidement pour les applications informatiques. Plus la résistance est faible, plus la vitesse d’accès à la mémoire est rapide.

Cette combinaison MoS2 et AlScN constitue une véritable avancée dans la technologie des transistors. Les FE-FET d'autres équipes de recherche ont été systématiquement entravés par une perte de propriétés ferroélectriques à mesure que les dispositifs se miniaturisent pour se rapprocher des échelles appropriées à l'industrie.

Jusqu'à cette étude, la miniaturisation des FE-FET entraînait un rétrécissement important de la « fenêtre mémoire ». Cela signifie qu'à mesure que les ingénieurs réduisent la taille du transistor, le dispositif développe une mémoire peu fiable, compromettant ses performances globales.

Le laboratoire de Jariwala et ses collaborateurs ont réalisé une conception qui maintient la fenêtre de mémoire grande avec des dimensions de périphérique incroyablement petites. Avec AlScN à 20 nanomètres et MoS2 à 0,7 nanomètres, le FE-FET stocke les données de manière fiable pour un accès rapide.

« La clé, explique Olsson, est notre matériau ferroélectrique, l'AlScN. Contrairement à de nombreux matériaux ferroélectriques, il conserve ses propriétés uniques même lorsqu'il est très fin. Dans un article récent de mon groupe, nous avons montré qu’il peut conserver ses propriétés ferroélectriques uniques à des épaisseurs encore plus petites : 5 nanomètres.