Team udvikler transistorer med glidende ferroelektricitet baseret på polaritetsskiftbart molybdændisulfid

I løbet af de sidste par år har ingeniører forsøgt at udtænke alternative hardwaredesigns, der ville tillade en enkelt enhed både at udføre beregninger og gemme data. Denne nye elektronik, kendt som computing-in-memory-enheder, kan have adskillige fordele, herunder hurtigere hastigheder og forbedrede dataanalysemuligheder.

For at gemme data sikkert og bevare et lavt strømforbrug bør disse enheder være baseret på ferroelektriske materialer med fordelagtige egenskaber, og som kan nedskaleres med hensyn til tykkelse. Todimensionelle (2D) halvledere, der udviser en egenskab kendt som glidende ferroelektricitet, har vist sig at være lovende kandidater til at realisere computing-in-memory, men alligevel kan det vise sig vanskeligt at opnå den nødvendige omskiftelige elektriske polarisering i disse materialer.

Forskere ved National Taiwan Normal University, Taiwan Semiconductor Research Institute, National Yang Ming Chiao Tung University og National Cheng Kung University udtænkte for nylig en effektiv strategi til at opnå en omskiftelig elektrisk polarisering i molybdændisulfid (MoS₂ ). Ved at bruge denne metode, beskrevet i en Nature Electronics papir, udviklede de i sidste ende nye lovende ferroelektriske transistorer til computing-in-memory-applikationer.

"Vi opdagede ved et uheld adskillige parallelt distribuerede domænegrænser i vores MoS₂ flager, der faldt sammen med det tidspunkt, hvor den eksperimentelle bekræftelse af glidende ferroelektricitet i 2D-materialer blev rapporteret," fortalte Tilo H Yang, medforfatter af papiret, Phys.org. "Denne opdagelse inspirerede os til at overveje, om denne domæne-grænse-rige MoS₂ kan bruges til udvikling af ferroelektrisk hukommelse."

Det primære formål med den nylige undersøgelse foretaget af Yang og hans kolleger var at identificere en lovende metode til direkte at syntetisere epitaksial MoS₂ med glidende ferroelektricitet. Den fabrikationsstrategi, de identificerede, tillod dem i sidste ende at skabe lovende nye ferroelektriske transistorer med fordelagtige egenskaber.

"Et vigtigt trin i fremstillingen af ​​vores ferroelektriske transistorer er opsætningen af ​​3R-MoS₂ kanal ind i et omskifteligt ferroelektrisk materiale under den kemiske dampaflejring (CVD) vækstproces," forklarede Yang. "Danningen af ​​domænegrænser i 3R-MoS₂ film er nødvendig for at besidde evnen til at skifte polariserede domæner; dette er dog sjældent i de fleste epitaksielle 3R MoS₂ film. I papiret præsenterede vi en syntesestrategi for at øge chancen for, at domænegrænser dukker op i materialet, hvilket giver det mulighed for at vende domæne som svar på gatespændingen."

Forskerne evaluerede deres ferroelektriske transistorer i en række indledende tests og fandt ud af, at de klarede sig godt, idet de udviste et gennemsnitligt hukommelsesvindue på 7V med en påført spænding på 10V, retentionstider over 10 ⁴  sekunder og udholdenhed større end 10 ⁴ cyklusser. Disse resultater fremhæver deres potentiale for computing-in-memory-applikationer.

"Vores ferroelektriske halvledertransistorer har ikke-volatilitet, omprogrammerbarhed og lavt skiftende felt, der glider ferroelektricitet, baseret på forskydningstransformationsinducerede dislokationer i vores 3R MoS₂ film," sagde Yang. "Med en tykkelse på omkring to atomlag er enheden en lovende komponent, der kan passe ind i kravene til den nyeste CMOS-teknologi, f.eks. sub-3 nm noder."

I fremtiden kan fremstillingsstrategien foreslået af Yang og hans kolleger bruges til at syntetisere andre lovende 2D halvledende materialer med glidende ferroelektricitet. Disse materialer kan igen bruges til at skabe nye højtydende computer-i-hukommelsesenheder, der bidrager til den fremtidige udvikling af elektronik.

"Vores arbejde beviste koblingsevnen af ​​epitaksiale glidende ferroelektriske materialer og anvendeligheden af ​​denne nyligt opdagede fysiske egenskab i form af hukommelse," tilføjede Yang og Yann-Wen Lan. "Vores epitaksiale film rummer et stort potentiale for udvikling af storskala, high-throughput hukommelsesenheder. Med en bedre forståelse af sammenhængen mellem koblingsmekanismer og domænemikrostrukturer, bevæger vi os nu fremad for at udvikle en høj koblingshastighed og lang retentionshukommelse. ."

Flere oplysninger: Tilo H. Yang et al., Ferroelektriske transistorer baseret på forskydningstransformationsmedieret rhombohedral-stablet molybdændisulfid, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01073-0

Journaloplysninger: Naturelektronik

© 2023 Science X Network