RAM:ina ja ROM:ina toimivia sirukomponentteja

Kuvaus ja elektronimikroskooppikuva tutkijoiden FE-FET-laitteesta.

Suurempi kuva

Laskentatehon räjähdysmäinen kasvu riippuu vuosi toisensa jälkeen valmistajien kyvystä sovittaa yhä useampia komponentteja samaan tilaan piisirulla.

Yksi kauan kaivattu edistysaskel on ferrosähköinen kenttävaikutustransistori eli FE-FET. Sellaiset voisivat vaihtaa tiloja riittävän nopeasti laskennan suorittamiseksi, mutta voivat toimia myös haihtumattomina muisteina.

Käytännön FE-FET-piirirakenteiden valmistuksen este on aina ollut valmistus; materiaalit, joilla on paras tarvittava ferrosähköinen vaikutus, eivät ole yhteensopivia piikomponenttien massatuotantotekniikoiden kanssa niiden korkeiden lämpötilavaateiden vuoksi.

Nyt Pennsylvanian yliopiston insinööritieteiden korkeakoulun tutkijaryhmä on osoittanut mahdollisen keinon kiertää tämä ongelma. Parissa viimeaikaisessa tutkimuksessa he ovat osoittaneet, että skandiumilla seostettua alumiininitridiä (AlScN), voidaan käyttää sekä FE-FET:n että diodi-memristori -tyyppisten muistirakenteiden valmistamiseen, tavalla jolla on kaupallisesti kannattavia ominaisuuksia.

Tutkimuksia johtivat sähkö- ja systeemitekniikan apulaisprofessori Deep Jariwala ja laboratorion jatko-opiskelija Xiwen Liu.

"Yksi tärkeimmistä tavoista, kiertää valtavien datamäärien piillä käsittelyn uhkaavat rajoitukset, on löytää materiaaleja, joiden avulla muistikomponentit voidaan rakentaa suoraan prosessorin päälle sitä vahingoittamatta”, Jariwala kertoo. "Koska AlScN voidaan saostaa suhteellisen matalissa lämpötiloissa, tiesimme, että se tarjoaa mahdollisuuden yhdistää muisti suoraan logiikkatransistoreihin. Tarvitsimme vain tavan integroida se muuhun siruarkkitehtuuriin."

Jariwala ja hänen kollegansa löysivät ratkaisun kaksiulotteisesta molybdeenidisulfidi eli MoS2 -materiaalista. Käyttämällä sitä kanavana AlScN-pohjaiseen FE-FET-rakenteeseen, työryhmä pystyi testaamaan rakenteensa kytkentänopeuden ja muistin vakauden.

"Insinöörit ovat pyrkineet FE-FET-muistiin 60-luvulta lähtien, koska nämä ne voisivat toimia erittäin pienellä käyttöteholla", Jariwala kertoo. Mutta miten saada tekniikka yhteensopivaksi prosessorien kanssa ja toimimaan pidempään. ”Tässä 2D-materiaalimme tulevat mukaan; ne ovat niin ohuita, että niihin kirjoitettu muistibitti voisi säilyttää informaation varauksen muodossa vuosien ajan."

Jariwala ja hänen kollegansa seuraavat vaiheet oli pienentää muistirakenteidensa mittoja. He saivat AlScN:n vain 20 nanometrin ohuuteen. Ennen tätä tutkimusta ei ollut selvää, että näin ohuena AlScN säilyttäisi tarvittavat ferrosähköiset ominaisuudet.

Samalla tutkijat huomasivat, että MoS2:n poistaminen ja AlScN:n käyttö sellaisenaan mahdollisti sen toimia diodi-memristorin kaltaisena muistirakenteena. Ne ovat yksinkertaisempia kuin FE-FET-piirit ja ovat jopa helpommin integroitavissa kaupallisessa mittakaavassa, koska ne vaativat vähemmän työvaiheita ja komponentteja.

Jariwala ja hänen kollegansa jatkavat näiden laitteiden valmistustekniikoiden tutkimista, tavoitteena mahdollistaa niiden massatuotanto ja integrointi kulutuselektroniikkaan.

Aiheesta aiemmin:

Ferrosähköisyys yhdistää transistorit ja muistit

Uusi konsepti haihtumattomalle muistille