Новый дизайн материала для транзисторов может сократить размер технологии следующего поколения

Атомный масштаб рендеринг изолятора MOTT (зеленый) и основной материал (синий), который оказался ключом к уточнению и стабилизации производительности потенциально меньшего транзистора.Кредит: Университет штата Небраска-Линкольн

Лучше укротив Джекил и Гид Характер альтернативы полупроводнику-та, которая переходит от изолятора, устойчивого к электричеству, к кондиционированию тока-xia Hong от Nebraska, и коллеги могли разблокировать новый путь для более мелких, более эффективных цифровых устройств.Команда сообщает о своих выводах в журнале Nature Communications.

Способность полупроводника проводить электричество в зоне Златовласка-Poorer, чем металл, лучше, чем изолятор-установил его как только что правый выбор для инженеров, желающих построить транзисторы, крошечные выключатели, которые кодируют 1 и 0 с бинальникаПолемПримените некоторое напряжение к ручке управления, известной как изолятор затвора, и канал полупроводника позволяет электрическому току течь (1);Удалите его, и этот поток прекращается (0).

Миллионы этих наноскопических транзисторов на основе полупроводников теперь покрывают современные микрочипы, включившись и выключается, чтобы коллективно обрабатывать или хранить данные.Но какими бы ни были незначительными, какими бы ни были транзисторы, требования потребителей и конкуренции продолжают подталкивать инженеров -электриков еще дальше, либо ради сжатия в большей функциональности, либо сокращать устройства, которые их размещают.

К сожалению, эти инженеры сейчас сталкиваются с практическими и даже фундаментальными пределами того, как могут получить небольшие полупроводники.

Исследователи, в свою очередь, начали выходить за рамки не только любимого в отрасли кремния, но и полупроводников в целом.Более двух десятилетий назад некоторые начали общаться с классом материалов, называемых изоляторами Mott.Если полупроводник-это счастливая среда, которая привела к десятилетиям кафедры, непревзойденного, изолятор MOTT больше сродни двуликим дикой карте, чья амбивалентность как источник его привлекательности и разочарования.

Давняя теория проводимости говорит о том, что материал с электронными характеристиками изолятора MOTT, как правило, должен классифицироваться как металл.В отличие от электронов в металлическом или полупроводнике, однако, в изоляторе мотта не ведут себя как независимые частицы.

Вместо этого они взаимодействуют таким образом, чтобы ограничивать их локализованными участками и не дают им свободно перемещаться через материал.Тем не менее, определенные условия - более высокие температуры, введение большего количества электронов - может ошеломить эти силы, в конечном итоге освобождая электроны и по существу превратив изолятор MOTT в проводящий металл.

«Таким образом, у вас (традиционно) есть либо странствующие электроны, либо локализованные электроны», - сказал Хонг, профессор физики в Университете штата Небраска -Линкольн.«Это очень четко определено».

«Но в случае изолятора мотта, электронные взаимодействия нельзя игнорировать. Из -за этой корреляции трудно определить его как просто металл или изолятор. Если вы можете настроить прочность взаимодействия, это может быть металл или металл или металл или металл.Это может быть изолятор “.

Направляя изолятор MOTT с помощью изолятора затвора, изготовленного из так называемого сегнетоэлектрического материала-затем использование напряжения для переворачивания поляризации последнего или выравнивания положительных и отрицательных зарядов-исследователи поняли, что могут направить переход MOTT от изолятора на метал и обратно.Таким образом, поведение спаривания и наиболее многообещающая функция приняли после поведения полупроводника.

Тем не менее, металлическая фаза изолятора MOTT придает ему жизненно важное преимущество перед своим давно регрессивным аналогом: ношение числа и плотности электрических зарядов, которые намного превосходят то, что мог получить полупроводник.

Чем выше плотность, тем меньше пространства, которое заряженные электроны требуется для выявления электрических полей, которые в противном случае переключают поляризацию сегнетоэлектрического и не дают транзистору удержать «выключенное» состояние.И чем короче длина скрининга, которые нуждаются в заряженных частицах, тем меньше может быть транзистор - потенциально, чем любой из его полупроводниковых предшественников.

Проблема?Та же самая плотность сокращения также усиливает сложность перехода на канал MOTT от изолятора на метал, или наоборот, через сегнетоэлектрический материал над ним.

Инженеры часто измеряют технологическую жизнеспособность транзистора с точки зрения его отношения отключения: количество тока, которое он несет при применении напряжения в зависимости от количества, идеально близко к нулю, которое течет, когда напряжение снимается.Чем выше соотношение, тем больше маржи для ошибки при обработке и хранении данных.Минимизация тока в состоянии «вне» также экономит энергию, в то время как максимизация ее «на» может повысить скорость обработки.

В 2018 году, через год после того, как Хонг, докторант-советник Yifei Hao и Postdoc Xuegang Chen впервые подошли к этой проблеме, другая исследовательская группа сообщила о соотношении Off 11, что является самым высоким до настоящего времени в моттно-ферроэлектрическом спарнире при комнатной температуре.С некоторыми собственными экспериментами команда, возглавляемая Хаскером, в конечном итоге подтолкнула его до 17-лучше, но все же слишком низко.

В конце концов, Хонг и ее коллеги решили попытаться добавить еще один слой под канал MOTT.Для этого третьего, лежащего в основе слоя команда выбрала материал, который не мог нести почти плотность зарядов в качестве материала MOTT над нимSparser Region.

Команда, по сути, держала Джекилла и одомашнила Хайд.Остались преимущества области высокой плотности области высокой плотности, но поскольку общая плотность упала (благодаря дополнительному нижнему слою), команда также сохранила больший контроль над переходом с изолятором-металлом.Это преимущество проявилось в форме рекордного коэффициента выключения, которое появилось на колоссальных 385 годах-более чем в 20 раз выше, чем в любом случае.

Это число, по словам Хонга, может соскрести потолок того, что можно достичь с помощью мотт-ферроэлектрического подхода.

Также в его пользу?Ферроэлектрики нелетучивы, что означает, что они могут сохранить свои 1 и 0 без постоянного питания.И тот факт, что они требуют только глотка напряжения для переворачивания их поляризации, делает мотт-ферроэлектрическую спаривание более энергоэффективным, чем аналогично нелетую, но на основе магнетизма память, включая MRAM.

«Для меня, с точки зрения развития технологий, это большое дело, потому что это показывает, что это возможно», - сказал Хонг.«У нас могут быть очень высокопроизводительные устройства, сохраняя многие производственные процессы традиционных полупроводников и преодолевать некоторые фундаментальные ограничения их».

К Хонгу, базирующиеся в Мотте транзисторы могут попасть в эти устройства раньше, чем позже.

«Я думаю, что это готово», - сказала она о концепции.«Это действительно конкурентоспособно с другими технологиями нелетущей памяти. Я думаю, что кто-то, у кого есть правильное мышление, может поднять концепцию и работать с ней».

Больше информации: Yifei Hao и др., Записываемое переключение температурной устойчивости высокой температуры в сегнетоэлектрических транзисторах MOTT, разблокированных межфазной зарядкой, природной связи (2023).Doi: 10.1038/s41467-023-44036-x