工程突破:科学家找到可同时作为RAM和ROM的芯片元件方案

计算能力每年都能呈现爆发式增长,很大程度上归功于芯片制造商在相同空间的硅芯片上装入越来越多的元件。然而这项科学进展现在正接近物理定律的极限,因此人们正在探索新的材料,替代长期处于计算机行业核心的硅半导体。

一个长期以来被寄予厚望的进展是铁电场效应晶体管(FE-FET)。这类设备可以快速切换状态,足以进行计算,但也能够在不通电的情况下保持这些状态,使它们能够作为长期存储器存储。作为 RAM 和 ROM 的双重职责,FE-FET 器件将使芯片的空间效率更高,功能更强。

而制造实用 FE-FET 器件存在诸多障碍,首先由于铁电材料的高温要求,这种最能显示必要的铁电效应的材料与大规模生产硅元件的技术不兼容。现在,宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的一个研究小组已经展示了一个解决这个问题的潜在方法。

在最近的一对研究中,他们证明了钪掺杂的氮化铝(AlScN),一种最近被发现表现出铁电性的材料,可以被用来制造 FE-FET 以及具有商业可行性的二极管-记忆体类型的存储器件。

这些研究由电气和系统工程(ESE)专业的助理教授 Deep Jariwala 和他实验室的研究生刘曦文(Xiwen Liu,音译)领导。他们与宾夕法尼亚州工程学院的同事 Troy Olsson(也是 ESE 的助理教授)和 Eric Stach(材料科学与工程系教授兼物质结构研究实验室主任)进行了合作。他们在《Nano Letters》和《Applied Physics Letters》上发表了这些结果。

Jariwala 表示:“芯片设计者正在考虑绕过使用硅处理大量数据,其中一个主要方法是找到能够让内存组件直接建立在处理器之上而在这个过程中不损害处理器的材料,基本上是制造二合一的设备。由于 AlScN 可以在相对较低的温度下沉积,我们知道它代表了一种直接将存储器与逻辑晶体管结合起来的可能性。我们只是需要一种方法将它与芯片结构的其他部分整合起来”。

Jariwala 和他的同事在一种被称为二硫化钼(MoS2)的有前途的二维材料中找到了解决方案。使用单层 MoS2 作为基于 AlScN 的 FE-FET 器件的通道,该团队能够测试其开关速度和存储稳定性。这些结果发表在他们的《纳米通讯》论文中。

Jariwala 表示:“自 60 年代以来,工程师们一直在追求 FE-FET 存储器的概念,因为这些设备可以在极低的功率下运行。真正的问题是使它们的制造与处理器兼容,并使它们的寿命更长。这就是我们的二维材料的作用;它们非常薄,一旦在其中写入一个记忆位,它们可以以电荷的形式将该信息保存多年”。

Jariwala 和他的同事的下一步是缩小他们的存储设备的尺寸。在他们的《Applied Physics Letters》论文中,他们展示了生产薄至 20 纳米的 AlScN 的能力,减少了设备的整体尺寸以及它所需的电压。

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