La revolución de Big Data ha puesto a prueba las capacidades del hardware electrónico de última generación, desafiando a los ingenieros a repensar casi todos los aspectos del microchip. Con conjuntos de datos cada vez más enormes para almacenar, buscar y analizar a niveles de complejidad cada vez mayores, estos dispositivos deben volverse más pequeños, más rápidos y más eficientes energéticamente para seguir el ritmo de la innovación de datos.

Los transistores de efecto de campo ferroeléctrico (FE-FET) se encuentran entre las respuestas más intrigantes a este desafío. Al igual que los transistores tradicionales basados ​​en silicio, los FE-FET son interruptores que se encienden y apagan a una velocidad increíble para comunicar los 1 y 0 que usan las computadoras para realizar sus operaciones.

Pero los FE-FET tienen una función adicional que los transistores convencionales no tienen : sus propiedades ferroeléctricas les permiten retener la carga eléctrica.

Esta propiedad les permite servir como dispositivos de memoria no volátil, así como dispositivos informáticos. Capaces de almacenar y procesar datos, los FE-FET son objeto de una amplia gama de proyectos de investigación y desarrollo. Un diseño FE-FET exitoso reduciría drásticamente el tamaño y los umbrales de uso de energía de los dispositivos tradicionales, además de aumentar la velocidad.

Investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania han presentado un nuevo diseño FE-FET que demuestra rendimientos récord tanto en computación como en memoria.

Un estudio reciente publicado en Nature Nanotechnology dirigido por Deep Jariwala, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas (ESE), y Kwan-Ho Kim, Ph.D. candidato en su laboratorio, presentó el diseño. Colaboraron con los miembros de la facultad de Penn Engineering, Troy Olsson, también profesor asociado en ESE, y Eric Stach, profesor de ingeniería Robert D. Bent en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) y director del Laboratorio de Investigación sobre la Estructura de Materia (LRSM).

El transistor coloca un semiconductor bidimensional llamado disulfuro de molibdeno (MoS2) sobre un material ferroeléctrico llamado nitruro de escandio de aluminio (AlScN), lo que demuestra por primera vez que estos dos materiales se pueden combinar de manera efectiva para crear transistores a escalas atractivas para la fabricación industrial..

« Debido a que hemos fabricado estos dispositivos combinando un material aislante ferroeléctrico con un semiconductor 2D, ambos son muy eficientes energéticamente », dice Jariwala. « Puede usarlos tanto para computación como para memoria, indistintamente y con alta eficiencia ».

El dispositivo del equipo de ingeniería de Penn se destaca por su delgadez sin precedentes, lo que permite que cada dispositivo individual funcione con una cantidad mínima de superficie. Además, los diminutos dispositivos se pueden fabricar en grandes arreglos escalables a plataformas industriales.

« Con nuestro semiconductor, MoS2, de tan solo 0,7 nanómetros, no estábamos seguros de que pudiera sobrevivir a la cantidad de carga que inyectaría en él nuestro material ferroeléctrico, AlScN », dice Kim. « Para nuestra sorpresa, no solo sobrevivieron ambos, sino que la cantidad de corriente que esto permite que el semiconductor transporte también fue récord ».

Cuanta más corriente pueda transportar un dispositivo, más rápido podrá funcionar para las aplicaciones informáticas. Cuanto menor sea la resistencia, más rápida será la velocidad de acceso a la memoria.

Esta combinación de MoS2 y AlScN es un verdadero avance en la tecnología de transistores. Los FE-FET de otros equipos de investigación se han visto constantemente obstaculizados por una pérdida de propiedades ferroeléctricas a medida que los dispositivos se miniaturizan para acercarse a escalas apropiadas para la industria.

Hasta este estudio, la miniaturización de FE-FET ha resultado en una severa reducción de la « ventana de memoria ». Esto significa que a medida que los ingenieros reducen el tamaño del diseño del transistor, el dispositivo desarrolla una memoria poco confiable, confundiendo 1 con 0 y viceversa, comprometiendo su rendimiento general.

El laboratorio de Jariwala y sus colaboradores lograron un diseño que mantiene la ventana de memoria grande con dimensiones de dispositivo impresionantemente pequeñas. Con AlScN a 20 nanómetros y MoS2 a 0,7 nanómetros, el FE-FET almacena datos de manera confiable para un acceso rápido.

« La clave », dice Olsson, « es nuestro material ferroeléctrico, AlScN. A diferencia de muchos materiales ferroeléctricos, mantiene sus propiedades únicas incluso cuando es muy delgado. En un artículo reciente de mi grupo, demostramos que podemos conservar su estructura ferroeléctrica única ». propiedades en espesores aún más pequeños: 5 nanómetros ».

Los próximos pasos del equipo de ingeniería de Penn se centran en esta miniaturización adicional para producir dispositivos que funcionen con voltajes lo suficientemente bajos como para ser compatibles con la fabricación de dispositivos de consumo de vanguardia.

« Nuestros FE-FET son increíblemente prometedores », dice Jariwala. « Con un mayor desarrollo, estos dispositivos versátiles podrían tener un lugar en casi cualquier tecnología que se te ocurra, especialmente aquellas que están habilitadas para IA y consumen, generan o procesan grandes cantidades de datos, desde la detección hasta las comunicaciones y más ».