Транзисторы, которые могут изменять свойства, являются важными элементами в разработке полупроводников завтрашнего дня. Поскольку стандартные транзисторы приближаются к пределу своих размеров, наличие большего количества функций на одном и том же количестве элементов становится все более важным для разработки небольших энергоэффективных схем для улучшенной памяти и более мощных компьютеров. Исследователи из Лундского университета в Швеции показали, как создавать новые конфигурируемые транзисторы и управлять ими на новом, более точном уровне.
Ввиду постоянно растущей потребности в более качественных, более мощных и эффективных схемах существует большой интерес к реконфигурируемым транзисторам. Преимущество их в том, что, в отличие от стандартных полупроводников, можно изменить свойства транзистора после его изготовления.
Исторически сложилось так, что вычислительная мощность и эффективность компьютеров улучшались за счет уменьшения размера кремниевого транзистора (также известного как закон Мура). Но теперь достигнут этап, когда затраты на продолжение развития в этом направлении стали намного выше, и возникли проблемы квантовой механики, которые замедлили развитие.
Вместо этого идет поиск новых материалов, компонентов и схем. Лундский университет входит в число мировых лидеров в области материалов III-V, являющихся альтернативой кремнию. Это материалы со значительным потенциалом для развития высокочастотных технологий (например, детали для будущих сетей 6G и 7G), оптических применений и электронных компонентов, которые становятся все более энергоэффективными.
Для реализации этого потенциала используются сегнетоэлектрические материалы. Это специальные материалы, способные менять свою внутреннюю поляризацию при воздействии электрического поля . Его можно сравнить с обычным магнитом, но вместо магнитного северного и южного полюсов образуются электрические полюса с положительным и отрицательным зарядом на каждой стороне материала. Меняя поляризацию, можно управлять транзистором. Еще одним преимуществом является то, что материал «запоминает» свою поляризацию даже при отключении тока.
С помощью новой комбинации материалов исследователи создали сегнетоэлектрические «зерна», которые контролируют туннельный переход — эффект электрического моста — в транзисторе. Это очень маленький масштаб — размер зерна составляет 10 нанометров. Измеряя колебания напряжения или тока, можно определить, когда меняется поляризация отдельных зерен, и, таким образом, понять, как это влияет на поведение транзистора.
В исследовании, недавно опубликованном в журналах Nature Communications и Science Advances , изучалась новая ферроэлектрическая память в виде транзисторов с туннельными барьерами для создания новых схемных архитектур.
«Цель состоит в том, чтобы создать нейроморфные схемы, т. е. схемы, адаптированные для искусственного интеллекта в том смысле, что их структура аналогична человеческому мозгу с его синапсами и нейронами», — говорит Антон Эрикссон, который недавно защитил докторскую диссертацию по наноэлектронике.
Особенность новых результатов заключается в том, что стало возможным создавать туннельные переходы с использованием сегнетоэлектрических зерен, расположенных непосредственно рядом с переходом. Затем этими нанозернами можно управлять на индивидуальном уровне, тогда как раньше можно было отслеживать только целые группы зерен, известные как ансамбли. Таким образом можно идентифицировать и контролировать отдельные части материала.
«Чтобы создавать передовые приложения, вы должны сначала понять динамику отдельных зерен вплоть до атомного уровня, а также существующие дефекты. Расширенное понимание материала может быть использовано для оптимизации функций. Управляя этими ферроэлектрическими зернами, вы можете затем создавать новые полупроводники, в которых вы можете изменять свойства. Таким образом, изменяя напряжение, вы можете выполнять различные функции в одном и том же компоненте», — говорит Ларс-Эрик Вернерссон, профессор наноэлектроники.
Исследователи также изучили, как эти знания можно использовать для создания различных реконфигурируемых приложений, манипулируя различными способами сигналом, проходящим через транзистор. Его можно было бы, например, использовать для новых ячеек памяти или более энергоэффективных транзисторов.
Этот новый тип транзистора называется ферро-TFET и может использоваться как в цифровых, так и в аналоговых схемах.
«Интересно, что входной сигнал можно модулировать различными способами, например сдвигом фазы транзистора, удвоением частоты и микшированием сигналов. Поскольку транзистор запоминает свои свойства, даже когда ток отключен, нет необходимости сбрасывать его каждый раз, когда используется схема», — говорит Чжуньюньшен Жо, докторант в области наноэлектроники.
Еще одним преимуществом этих транзисторов является то, что они могут работать при низком напряжении. Это делает их энергоэффективными, что потребуется, например, в беспроводной связи завтрашнего дня, Интернете вещей и квантовых компьютерах.
«Я считаю это передовым исследованием международного значения. Хорошо, что в Лунде и Швеции мы находимся в авангарде в области полупроводников, особенно с учетом недавно принятого ЕС Закона о микросхемах, который направлен на укрепление позиции Европы в отношении полупроводников», — говорит Ларс-Эрик Вернерссон.