De afgelopen jaren hebben ingenieurs geprobeerd alternatieve hardwareontwerpen te bedenken waarmee één enkel apparaat zowel berekeningen kan uitvoeren als gegevens kan opslaan. Deze opkomende elektronica, bekend als computing-in-memory-apparaten, zou talloze voordelen kunnen hebben, waaronder hogere snelheden en verbeterde mogelijkheden voor gegevensanalyse.

Om gegevens veilig op te slaan en een laag stroomverbruik te behouden, moeten deze apparaten gebaseerd zijn op ferro-elektrische materialen met gunstige eigenschappen en die qua dikte verkleind kunnen worden. Tweedimensionale (2D) halfgeleiders die een eigenschap vertonen die bekend staat als glijdende ferro-elektriciteit blijken veelbelovende kandidaten te zijn voor het realiseren van computing-in-memory, maar het bereiken van de noodzakelijke schakelbare elektrische polarisatie in deze materialen kan moeilijk blijken.

Onderzoekers van de National Taiwan Normal University, Taiwan Semiconductor Research Institute, National Yang Ming Chiao Tung University en National Cheng Kung University hebben onlangs een effectieve strategie bedacht om een ​​schakelbare elektrische polarisatie in molybdeendisulfide (MoS₂) te bereiken. ). Met behulp van deze methode, beschreven in een Nature Electronics Op papier ontwikkelden ze uiteindelijk nieuwe veelbelovende ferro-elektrische transistors voor computer-in-memory-toepassingen.

"We hebben per ongeluk talloze parallel verdeelde domeingrenzen ontdekt in onze MoS₂ vlokken, die samenviel met de tijd waarin de experimentele bevestiging van glijdende ferro-elektriciteit in 2D-materialen werd gerapporteerd”, vertelde Tilo H Yang, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. “Deze ontdekking inspireerde ons om na te denken of deze domeingrensrijke MoS₂ kan worden gebruikt voor de ontwikkeling van ferro-elektrisch geheugen."

Het primaire doel van de recente studie van Yang en zijn collega's was het identificeren van een veelbelovende methode om epitaxiale MoS direct te synthetiseren₂ met glijdende ferroelektriciteit. De fabricagestrategie die ze identificeerden, stelde hen uiteindelijk in staat veelbelovende nieuwe ferro-elektrische transistors met voordelige eigenschappen te creëren.

"Een belangrijke fase in de fabricage van onze ferro-elektrische transistors is het opzetten van de 3R-MoS₂ kanaliseren in een schakelbaar ferro-elektrisch materiaal tijdens het groeiproces van chemische dampdepositie (CVD),' legde Yang uit. "De vorming van domeingrenzen in 3R-MoS₂ films zijn nodig om het vermogen te bezitten om gepolariseerde domeinen te schakelen; dit is echter zeldzaam in de meeste epitaxiale 3R MoS₂ films. In het artikel presenteren we een synthesestrategie om de kans te vergroten dat domeingrenzen in het materiaal verschijnen, waardoor het de mogelijkheid krijgt om domeinen om te draaien als reactie op de poortspanning."

De onderzoekers evalueerden hun ferro-elektrische transistors in een reeks eerste tests en ontdekten dat ze goed presteerden, met een gemiddeld geheugenvenster van 7 V bij een aangelegde spanning van 10 V en retentietijden van meer dan 10 ⁴  seconden en een uithoudingsvermogen groter dan 10 ⁴ cycli. Deze resultaten onderstrepen hun potentieel voor computing-in-memory-toepassingen.

"Onze ferro-elektrische halfgeleidertransistors zijn voorzien van niet-vluchtigheid, herprogrammeerbaarheid en lage schakelvelden die ferro-elektriciteit verschuiven, waarbij ze uitgaan van door schuiftransformatie geïnduceerde dislocaties in onze 3R MoS₂ film," zei Yang. "Met een dikte van ongeveer twee atomaire lagen is het apparaat een veelbelovend onderdeel dat kan passen in de eisen van de modernste CMOS-technologie, bijvoorbeeld sub-3 nm-knooppunten." P>

In de toekomst zou de door Yang en zijn collega's voorgestelde fabricagestrategie kunnen worden gebruikt om andere veelbelovende 2D-halfgeleidende materialen met glijdende ferro-elektriciteit te synthetiseren. Deze materialen kunnen op hun beurt worden gebruikt om nieuwe, hoog presterende computer-in-geheugen-apparaten te creëren, die bijdragen aan de toekomstige vooruitgang van de elektronica.

"Ons werk bewees het schakelvermogen van epitaxiaal glijdende ferro-elektrische materialen en de toepasbaarheid van deze recent ontdekte fysieke eigenschap in termen van geheugen", voegde Yang en Yann-Wen Lan eraan toe. "Onze epitaxiale films bieden een groot potentieel voor de ontwikkeling van grootschalige geheugenapparaten met hoge doorvoer. Met een beter begrip van de correlatie tussen schakelmechanismen en domeinmicrostructuren, gaan we nu verder met het ontwikkelen van een hoge schakelsnelheid en een lang retentiegeheugen ."

Meer informatie: Tilo H. Yang et al, Ferro-elektrische transistors gebaseerd op door schuiftransformatie gemedieerde rhomboëdrische gestapelde molybdeendisulfide, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01073-0

Journaalinformatie: Natuurelektronica

© 2023 Science X Netwerk