計(jì)算能力每年都能呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，很大程度上歸功于芯片制造商在相同空間的硅芯片上裝入越來(lái)越多的元件。然而這項(xiàng)科學(xué)進(jìn)展現(xiàn)在正接近物理定律的極限，因此人們正在探索新的材料，替代長(zhǎng)期處于計(jì)算機(jī)行業(yè)核心的硅半導(dǎo)體。

芯研所7月4日消息，一個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)被寄予厚望的進(jìn)展是鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FE-FET）。這類設(shè)備可以快速切換狀態(tài)，足以進(jìn)行計(jì)算，但也能夠在不通電的情況下保持這些狀態(tài)，使它們能夠作為長(zhǎng)期存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。作為 RAM 和 ROM 的雙重職責(zé)，F(xiàn)E-FET 器件將使芯片的空間效率更高，功能更強(qiáng)。

而制造實(shí)用 FE-FET 器件存在諸多障礙，首先由于鐵電材料的高溫要求，這種最能顯示必要的鐵電效應(yīng)的材料與大規(guī)模生產(chǎn)硅元件的技術(shù)不兼容?，F(xiàn)在，賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的一個(gè)研究小組已經(jīng)展示了一個(gè)解決這個(gè)問(wèn)題的潛在方法。

在最近的一對(duì)研究中，他們證明了鈧摻雜的氮化鋁（AlScN），一種最近被發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)出鐵電性的材料，可以被用來(lái)制造 FE-FET 以及具有商業(yè)可行性的二極管-記憶體類型的存儲(chǔ)器件。

這些研究由電氣和系統(tǒng)工程（ESE）專業(yè)的助理教授 Deep Jariwala 和他實(shí)驗(yàn)室的研究生劉曦文（Xiwen Liu，音譯）領(lǐng)導(dǎo)。他們與賓夕法尼亞州工程學(xué)院的同事 Troy Olsson（也是 ESE 的助理教授）和 Eric Stach（材料科學(xué)與工程系教授兼物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)室主任）進(jìn)行了合作。他們?cè)凇禢ano Letters》和《Applied Physics Letters》上發(fā)表了這些結(jié)果。

Jariwala 表示：“芯片設(shè)計(jì)者正在考慮繞過(guò)使用硅處理大量數(shù)據(jù)，其中一個(gè)主要方法是找到能夠讓內(nèi)存組件直接建立在處理器之上而在這個(gè)過(guò)程中不損害處理器的材料，基本上是制造二合一的設(shè)備。由于 AlScN 可以在相對(duì)較低的溫度下沉積，我們知道它代表了一種直接將存儲(chǔ)器與邏輯晶體管結(jié)合起來(lái)的可能性。我們只是需要一種方法將它與芯片結(jié)構(gòu)的其他部分整合起來(lái)”。

Jariwala和他的同事在一種被稱為二硫化鉬（MoS2）的有前途的二維材料中找到了解決方案。使用單層 MoS2 作為基于 AlScN 的 FE-FET 器件的通道，該團(tuán)隊(duì)能夠測(cè)試其開關(guān)速度和存儲(chǔ)穩(wěn)定性。這些結(jié)果發(fā)表在他們的《納米通訊》論文中。

Jariwala 表示：“自 60 年代以來(lái)，工程師們一直在追求 FE-FET 存儲(chǔ)器的概念，因?yàn)檫@些設(shè)備可以在極低的功率下運(yùn)行。真正的問(wèn)題是使它們的制造與處理器兼容，并使它們的壽命更長(zhǎng)。這就是我們的二維材料的作用；它們非常薄，一旦在其中寫入一個(gè)記憶位，它們可以以電荷的形式將該信息保存多年”。

Jariwala 和他的同事的下一步是縮小他們的存儲(chǔ)設(shè)備的尺寸。在他們的《Applied Physics Letters》論文中，他們展示了生產(chǎn)薄至 20 納米的 AlScN 的能力，減少了設(shè)備的整體尺寸以及它所需的電壓。用戶注冊(cè)。