Большая международная группа исследователей под эгидой Калифорнийского университета в Беркли (США) разработала пакет слоев из ультратонких материалов, способный значительно снизить напряжение, необходимое для работы современных транзисторов. Об этом сообщает портал Nanowerk. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Ожидается, что к 2030 году на микроэлектронику будет приходиться около 5% от общего объема производства электроэнергии благодаря постоянно растущим требованиям к обработке информации. Для поддержания прогресса потребуется фундаментальный сдвиг в сторону более эффективных устройств с упором на материалы, совместимые с современной кремниевой технологией.
Явление отрицательной емкости представляет собой одно из возможных решений, обещающих значительно снизить энергопотребление в электронных устройствах, а также легко вписаться в современные полупроводниковые протоколы. В новом исследовании по этой тематике приняли участие научные специалисты из США, Индии, Южной Кореи при поддержке крупных государственных и промышленных структур, включая Samsung, Intel, SK hynix, Applied Materials и DARPA.
Транзистор, по сути, представляет собой двухпозиционный переключатель для протекания тока через полупроводник, активируемый небольшим напряжением от электрода «затвор». Тонкий изолирующий слой (оксид затвора) отделяет полупроводник от затвора. Увеличение способности оксида затвора накапливать заряд (т. е. его емкости) снижает рабочее напряжение транзистора и, таким образом, снижает общее энергопотребление.
В передовых кремниевых транзисторах оксид затвора представляет собой комбинацию оксида кремния (SiO2) и оксида гафния (HfO2). В новой разработке исследователи заменили HfO2 многослойным пакетом, который демонстрирует явление отрицательной емкости, тем самым сохраняя производительность при пониженной мощности.
Исследователи синтезировали структуру, состоящую из трех атомных слоев оксида циркония (ZrO2), зажатых между двумя отдельными атомными слоями HfO2. Предварительные расчеты показали, что такое решение будет иметь энергетический эффект, при котором стабилизируется нужная отрицательная емкость.
Несколько синхротронных установок в США, в том числе Стэнфордский источник синхротронного излучения и ALS, предоставили ценные данные о структурных изменениях, которые приводят к ферроидному порядку в разработанной учеными новой системе.
Результаты экспериментов подтвердили наличие требуемых параметров работы гетероструктуры и помогли идентифицировать переход антисегнетоэлектрик-сегнетоэлектрик при комнатной температуре, что помогает стабилизировать отрицательную емкость.
Заглядывая вперед, исследователи надеются продемонстрировать отрицательную емкость в разработанной ими герероструктуре гафний-цирконий-гафний (HZH) до толщины 1 нм, что соответствует архитектуре усовершенствованных транзисторов ближайшего будущего.