更小、更快、更節能，半導體芯片迎大突破

最先進的電子硬件在大數據革命面前都顯得有些“捉襟見肘”，這迫使工程師重新思考微芯片的幾乎每一個方面。隨著數據集的存儲、搜索和分析越來越復雜，這些設備就必須變得更小、更快、更節能，以跟上數據創新的步伐。

鐵電場效應晶體管（FE-FETs）是應對這一挑戰的最有趣的答案之一。這是一種具有鐵電性能的場效應晶體管。它利用鐵電材料的非易失記憶性質，在其中植入場效應和電荷積累，實現了長期穩定的記憶效應。

與傳統存儲器相比，它具有低功耗、高速度、高密度等優勢。因此，一個成功的FE-FET設計可以大大降低傳統器件的尺寸和能量使用閾值，并提高速度。

近期，美國賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院（University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science）的研究人員就研發了一種新的FE-FET設計，在計算和存儲方面都展示了破紀錄的性能。

最近，由電氣與系統工程系（ESE）副教授Deep Jariwala和他實驗室的博士候選人Kwan-Ho Kim首次推出了這種設計，他們的研究成果也已發表在了《自然納米技術》雜志上。

據悉，這種全新的晶體管在鐵電材料氮化鋁鈧（AlScN）上覆蓋了一種叫做二硫化鉬（MoS2）的二維半導體，首次證明了這兩種材料可以有效地結合在一起，制造出對工業制造有吸引力的晶體管。

Jariwala說：“因為我們把鐵電絕緣體材料和二維半導體結合在一起，所以兩者都非常節能。你可以把它們用于計算和存儲，效率也很高。”

據稱，該設備以其前所未有的薄而聞名，允許每個單獨的設備以最小的表面積運行。此外，這些微型設備可以以可擴展到工業平臺的大型陣列制造。

“我們的半導體（MoS2）只有0.7納米，起初我們不確定它是否能承受我們的鐵電材料AlScN注入其中的大量電荷，”研究人員說，“令我們驚訝的是，它們不僅都抗了下來，而且使半導體能夠攜帶的電流量也打破了紀錄。”

研究人員進一步解釋稱，一個設備可以攜帶的電流越多，它在計算應用上的運行速度就越快。電阻越低，存儲器的訪問速度越快。

他們還稱，MoS2和AlScN的結合是晶體管技術的真正突破。由于要使器件小型化，其他研究團隊的FE-FET一直受到鐵電特性損失的阻礙。在這項研究之前，小型化FE-FET導致了“記憶窗口”的嚴重縮小，影響其整體性能。

研究人員說，“我們的新設計使用了20納米的AlScN和0.7納米的MoS2，FE-FET能可靠地存儲數據，并實現快速訪問。”

“關鍵是我們的鐵電材料AlScN。與許多鐵電材料不同，它即使很薄也能保持其獨特的性能。我們證明了它可以在更薄的厚度（5納米）下保持其獨特的鐵電特性。”他們補充說。

研究團隊表示，下一步他們的工作將集中在進一步小型化上，以生產出在足夠低的電壓下工作的設備，并兼容領先的消費設備制造。

“我們的FE-FET非常有前途，”Jariwala說。“隨著進一步發展，這些多功能設備幾乎可以在你能想到的任何技術中占有一席之地，尤其是那些支持人工智能并消費、生成或處理大量數據的技術——從傳感到通信等等。”