Discovery fremmer ferroelektrik i jagten på transistorer med lavere effekt

(Phys.org)—En artikel udgivet i dag af tidsskriftet Naturmaterialer beskriver den første direkte observation af et længe-hypoteseret, men undvigende fænomen kaldet "negativ kapacitans". Værket beskriver en unik reaktion af elektrisk ladning på påført spænding i et ferroelektrisk materiale, der kunne åbne døren til en radikal reduktion i den effekt, der forbruges af transistorer og de enheder, der indeholder dem.

Kapacitans er et materiales evne til at lagre en elektrisk ladning. Almindelige kondensatorer - der findes i stort set alle elektroniske enheder - lagrer ladning, når en spænding påføres dem. Det nye fænomen har et paradoksalt svar:når den påførte spænding øges, ladningen falder. Deraf dens navn, negativ kapacitans.

"Denne ejendom, hvis det lykkes at integrere i transistorer, kunne reducere mængden af ​​strøm, de bruger med mindst en størrelsesorden, og måske meget mere, " siger avisens hovedforfatter Asif Khan. Det ville føre til længerevarende mobiltelefonbatterier, mindre energiforbrugende computere af alle typer, og, måske endnu vigtigere, kunne forlænge tendensen til hurtigere med årtier, mindre processorer, der har defineret den digitale revolution siden dens fødsel.

Uden et større gennembrud af denne art, tendensen til miniaturisering og øget funktion er truet af de fysiske krav fra transistorer, der opererer på nanoskala. Selvom de små kontakter kan gøres stadig mindre, mængden af ​​strøm, de skal tænde og slukke, kan kun reduceres så meget. Denne grænse er defineret af det, der er kendt som Boltzmann-fordelingen af ​​elektroner - ofte kaldet Boltzmann-tyranniet. Fordi de skal fodres med en irreducerbar mængde elektricitet, ultrasmå transistorer, der er pakket for tæt, kan ikke sprede den varme, de genererer, for at undgå selvantændelse.

Om et årti eller deromkring, ingeniører vil udtømme mulighederne for at pakke mere computerkraft ind i stadigt mindre rum, en konsekvens set med frygt af enhedsproducenter, sensor udviklere, og en offentlighed, der er afhængig af stadig mindre og mere kraftfulde enheder.

Den nye forskning, udført ved UC Berkeley under ledelse af CITRIS-forsker og lektor i elektroteknik og datalogi Sayeef Salahuddin, giver en mulig måde at overvinde Boltzmann-tyranniet. Den er afhængig af visse materialers evne til at lagre energi i sig selv og derefter udnytte den til at forstærke indgangsspændingen. Dette kunne, træde i kræft, potentielt "narre" en transistor til at tro, at den har modtaget den mindste mængde spænding, der er nødvendig for at fungere. Resultatet:mindre elektricitet er nødvendig for at tænde eller slukke en transistor, som er den universelle operation i kernen af ​​al computerbehandling.

Materialet, der bruges til at opnå negativ kapacitans, falder i en klasse af krystallinske materialer kaldet ferroelektriske stoffer, som første gang blev beskrevet i 1940'erne. Disse materialer er længe blevet forsket i hukommelsesapplikationer og kommercielle lagringsteknologier. Ferroelektrik er også populære materialer til frekvenskontrolkredsløb og mange applikationer til mikroelektromekaniske systemer (MEMS). Imidlertid, muligheden for at bruge disse materialer til energieffektive transistorer blev først foreslået af Salahuddin i 2008, lige før han kom til Berkeley som adjunkt.

I løbet af de seneste seks år, Khan – en af ​​Salahuddins første kandidatstuderende ved Berkeley – har brugt pulslasere til at dyrke mange slags ferroelektriske materialer og har udtænkt og revideret geniale måder at teste for deres negative kapacitans.

Ud over at transformere den måde, transistorer fungerer på, negativ kapacitans kan også potentielt bruges til at udvikle hukommelseslagringsenheder med høj tæthed, super kondensatorer, spolefri oscillatorer og resonatorer, og til at høste energi fra miljøet.

Udnyttelse af den negative kapacitans af ferroelektrik er en i en liste over strategier til at reducere omkostningerne pr. joule ved at lagre en enkelt informationsbit, siger UC Berkeley professor i materialevidenskab, ingeniørarbejde, og fysik Ramamoorthy Ramesh, en anden af ​​avisens forfattere. Rameshs årtiers skelsættende arbejde med ferroelektriske materialer og enhedsstrukturer til at manipulere dem ligger til grund for gruppens resultater.

"Vi har netop lanceret et program kaldet attojoule-per-bit-programmet. Det er et forsøg på at reducere det samlede energiforbrug til at manipulere en bit til en attojoule (10-18), " siger Ramesh. For at opnå den slags per-bit energiforbrug, vi skal udnytte alle mulige veje. Den negative kapacitans af ferroelektrik bliver meget vigtig, " han siger.

Dette arbejde blev muliggjort af adgang til CITRIS's Marvell Nanofabrication Laboratory, en forskningsfacilitet på UC Berkeley campus, der specifikt tilskynder til udforskning af nye materialer og processer. Et af de mest avancerede akademiske nanofabrikationslaboratorier af sin type i verden, NanoLab er fødestedet for andre spilskiftende teknologier, såsom den tredimensionelle FinFET-transistor, der har ført an til skalering langt ud over grænserne for almindelige transistorer. "I dag, " siger professor Ming Wu, Marvell NanoLab fakultetsdirektør, "Hver enkelt transistor bygget til næste generations mikroprocessorer eller computere er FinFET."

"CITRIS's Marvell NanoLab har state-of-the-art udstyr til fremstilling af halvlederenheder og integrerede kredsløb, " siger Wu. "Men vi tager disse værktøjer og muligheder og anvender dem på materialer, der er så nye, at industrifabrikationslaboratorier ikke ville røre dem. Nye materialer som disse negativ kapacitans ferroelektriske komponenter er ikke kun velkomne her, de opmuntres aktivt."

"Det næste skridt, " siger Salahuddin, "er at forsøge at lave egentlige transistorer, så de kan udnytte det nye fænomen, Vi skal sikre os, at de er kompatible med siliciumbehandling, at de kan fremstilles, og at de måleteknikker, vi nu har bevist i princippet, er praktiske og skalerbare."