Een schaalbare methode om ferro-elektrische FET’s te maken op basis van AlScN en 2D-halfgeleiders

Een belangrijk doel op het gebied van elektronica-engineering is het ontwikkelen van transistors en andere elektronische componenten die steeds compacter en efficiënter worden, waarbij gebruik wordt gemaakt van direct beschikbare processen en materialen. Onder de transistors die bijzonder veelbelovend zijn gebleken, bevinden zich ferro-elektrische veldeffecttransistors (FE-FET’s), die lijken op conventionele FET’s, maar ook ferro-elektrische materialen bevatten.

FE-FET’s bevatten poortisolatoren gemaakt van ferroelektrische materialen die zowel elektrische lading kunnen schakelen als opslaan. Naast het regelen van de stroom in elektronische apparaten zoals conventionele FET’s, zouden deze op ferro-elektrische gebaseerde transistors daarom ook als geheugenapparaten kunnen dienen.

Deze dubbele functie kan zeer voordelig zijn voor computationeel veeleisende toepassingen, zoals het uitvoeren van kunstmatige intelligentie (AI) -modellen, omdat apparaten hierdoor hun werking beter kunnen ondersteunen zonder al te veel stroom te verbruiken. Ondanks hun potentieel zijn FE-FET’s nog niet op grote schaal geïntroduceerd, deels omdat het een uitdaging is gebleken om ze op grote schaal betrouwbaar te fabriceren met behulp van bestaande processen.

Onderzoekers van de University of Pennsylvania, Penn State University en andere universiteiten over de hele wereld hebben onlangs een strategie geïntroduceerd om FE-FET’s te maken met vergelijkbare processen als de processen die momenteel worden gebruikt om FET’s te produceren. Hun paper, gepubliceerd in Natuur Nanotechnologiezou de weg kunnen effenen voor de wijdverbreide acceptatie van deze dual-function transistors.

“De belangrijkste motivatie achter onze studie was om aan te tonen dat zowel 2D-halfgeleidermaterialen zoals MoS₂ en nitride-ferro-elektrische apparaten zoals AlScN (dwz aluminium-scandiumnitride) zijn zeer aantrekkelijk voor het realiseren van compacte, energiezuinige en snelle niet-vluchtige geheugenapparaten die direct kunnen worden geïntegreerd in Si CMOS-technologie in een back-end-of-line (BEOL)-proces,” Deep Jariwala, een van de onderzoekers die de studie uitvoerde, vertelde aan Phys.org: “We hebben gekeken naar 2D-materialen en AlScN voor deze toepassing. nu al een tijdje. Ons huidige artikel is een demonstratie van hoogstandjes van materialen die zijn opgeschaald tot grote gebieden en apparaten die zijn verkleind tot zeer kleine afmetingen en bedrijfsspanningen.”

Vanwege hun vermogen om elektrische lading bijna voor onbepaalde tijd op te slaan en om te schakelen, zelfs wanneer een spanning op hun poortelektron wordt verwijderd, kunnen FE-FET’s ook fungeren als niet-vluchtige geheugenapparaten. Het primaire doel van het onderzoek door Jariwala en zijn collega’s was om te bewijzen dat FE-FET’s met succes kunnen worden geïntegreerd met silicium halfgeleidermaterialen en dus kunnen worden gefabriceerd om de geheugenbehoeften met hoge bandbreedte van big data-toepassingen te ondersteunen.

“De lading die wordt opgeslagen door FE-FET’s moduleert ook de geleidbaarheid van de 2D-halfgeleider in een hoge of lage weerstandstoestand die feitelijk de informatie vertegenwoordigt die is opgeslagen in het geheugenapparaat”, legt Jariwala uit. “Het belangrijkste voordeel van onze strategie ligt in de combinatie van AlScN ferro-elektrisch materiaal dat overtreffende trap ferro-elektrische eigenschappen heeft en kan worden gedeponeerd in BEOL-compatibele processen en 2D-halfgeleiders, die dankzij hun dunne aard en van der Waals-structuur sterke modulatie van de geleidbaarheid en kan ook relatief eenvoudig worden geïntegreerd.”

De FE-FET’s die door de onderzoekers zijn gemaakt, integreren kanalen gemaakt van een 2D-halfgeleider met een ferro-elektrisch materiaal genaamd AlScN, die beide zijn gegroeid met behulp van conventionele, wafer-schaalbare processen. Het team testte een groot aantal van hun FE-FET’s in een reeks tests en ontdekte dat ze opmerkelijk goed presteerden, met geheugenvensters groter dan 7,8 V, AAN/UIT-verhoudingen groter dan 10⁷ en AAN-stroomdichtheid groter dan 250 μA um^–1 bij ~ 80 nm kanaallengte.

“Onze demonstratie bewijst dat 2D-halfgeleider/AlScN FE-FET-apparaten klaar zijn voor integratie met Si CMOS om big-datacomputing mogelijk te maken die geheugen met hoge bandbreedte vereist met processors in toekomstige generaties computerhardware,” zei Jariwala.

“Beide klassen materialen worden volwassen en ons werk creëert een brug voor het maken van deze sprong van het laboratorium naar de gieterij, van deze materialen en geheugenapparaten.”

Het recente werk van Jariwala en zijn collega’s zou binnenkort kunnen bijdragen aan de grootschalige implementatie van FE-FET’s. De prototypes die ze tot nu toe hebben ontwikkeld, schakelen een spanning van 3-4 volt, kunnen gegevens goed opslaan en kunnen gemakkelijk worden geïntegreerd met sommige huidige silicium CMOS-processors. In hun volgende studies hopen de onderzoekers hun omvang verder te verkleinen, omdat dit hun integratie in consumentenelektronica zou kunnen vergemakkelijken.

“Om hun voordeel en prestatiewinst in big data computing echt te zien, zullen we deze apparaten verder moeten verkleinen”, voegde Jariwala eraan toe. “We werken hier nu aan, en zoals getoond in een ander recent papier van ons kan ferro-elektrisch AlScN betrouwbaar worden gemaakt en geschakeld met een dikte van 5 nm. Onze volgende stap zal zijn om 2D-materialen te integreren en FE-FET’s te maken van 5 nm dikke AlScN-films om echt apparaten te realiseren en bedrijfsspanningen te bereiken die compatibel kunnen zijn met geavanceerde Si CMOS-processors. Op FE-FET-apparaatniveau moeten we ook meer werken aan het verbeteren van de contactweerstandswaarden van metaal/2D-halfgeleiders en ook p-type FE-FET-apparaten maken.”