Das Team entwickelt Transistoren mit verschiebbarer Ferroelektrizität basierend auf polaritätsumschaltbarem Molybdändisulfid.

23. Dezember 2023 feature

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

In den letzten Jahren haben Ingenieure versucht, alternative Hardware-Designs zu entwickeln, die es einem einzigen Gerät ermöglichen, sowohl Berechnungen durchzuführen als auch Daten zu speichern. Diese aufkommenden Elektroniksysteme, bekannt als Rechen-in-Speicher-Geräte, könnten zahlreiche Vorteile bieten, darunter schnellere Geschwindigkeiten und verbesserte Datenanalysefähigkeiten.

Um Daten sicher zu speichern und einen geringen Energieverbrauch aufrechtzuerhalten, sollten diese Geräte auf ferroelektrischen Materialien basieren, die vorteilhafte Eigenschaften aufweisen und in Bezug auf die Dicke verkleinert werden können. Es hat sich gezeigt, dass zweidimensionale (2D) Halbleiter, die eine Eigenschaft namens gleitende Ferroelektrizität aufweisen, vielversprechende Kandidaten für die Realisierung von Rechen-in-Speicher sind, jedoch kann es schwierig sein, die erforderliche umschaltbare elektrische Polarisation in diesen Materialien zu erreichen.

Forscher der National Taiwan Normal University, des Taiwan Semiconductor Research Institute, der National Yang Ming Chiao Tung University und der National Cheng Kung University haben kürzlich eine effektive Strategie entwickelt, um eine umschaltbare elektrische Polarisation in Molybdändisulfid (MoS2) zu erreichen. Mit dieser Methode, die in einem Nature Electronics-Papier beschrieben wird, haben sie letztendlich vielversprechende neue ferroelektrische Transistoren für Anwendungen in Rechen-in-Speicher-Geräten entwickelt.

"Wir haben zufällig zahlreiche parallel verteilte Domänenbegrenzungen in unseren MoS2-Flakes entdeckt, als die experimentelle Bestätigung der gleitenden Ferroelektrizität in 2D-Materialien berichtet wurde", erklärte Tilo H Yang, Mitautor des Papiers, gegenüber Phys.org. "Diese Entdeckung inspirierte uns dazu, zu überlegen, ob dieses MoS2 mit vielen Domänenbegrenzungen für die Entwicklung von ferroelektrischem Speicher genutzt werden kann."

Das Hauptziel der kürzlichen Studie von Yang und seinen Kollegen war es, eine vielversprechende Methode zu identifizieren, um epitaktisches MoS2 mit gleitender Ferroelektrizität direkt zu synthetisieren. Die von ihnen identifizierte Herstellungsstrategie ermöglichte es ihnen letztendlich, vielversprechende neue ferroelektrische Transistoren mit vorteilhaften Eigenschaften zu entwickeln.

"Eine wichtige Phase bei der Herstellung unserer ferroelektrischen Transistoren besteht darin, den 3R-MoS2-Kanal während des Wachstumsprozesses der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) in ein umschaltbares ferroelektrisches Material einzustellen", erklärte Yang. "Die Bildung von Domänenbegrenzungen in 3R-MoS2-Filmen ist erforderlich, um die Fähigkeit zum Umschalten polarisierter Domänen zu besitzen; dies ist jedoch selten in den meisten epitaktischen 3R-MoS2-Filmen. In dem Papier haben wir eine Synthesestrategie vorgestellt, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Domänenbegrenzungen im Material zu erhöhen und ihm die Fähigkeit zur Domain-Umkehrung in Reaktion auf die Gate-Spannung zu verleihen."

Die Forscher haben ihre ferroelektrischen Transistoren in einer Reihe von ersten Tests untersucht und festgestellt, dass sie gut abschnitten. Sie zeigten einen durchschnittlichen Speicherfenster von 7V bei einer angelegten Spannung von 10V, Retentionszeiten von über 104 Sekunden und eine Haltbarkeit von mehr als 104 Zyklen. Diese Ergebnisse verdeutlichen ihr Potenzial für Anwendungen in Rechen-in-Speicher-Geräten.

"Unsere ferroelektrischen Halbleitertransistoren zeichnen sich durch Nicht-Volatilität, Umprogrammierbarkeit und geringe Schaltfelder bei gleitender Ferroelektrizität aus, basierend auf scherungstransformationsinduzierten Versetzungen in unserem 3R-MoS2-Film", sagte Yang. "Mit einer Dicke von etwa zwei Atomlagen ist das Gerät eine vielversprechende Komponente, die den Anforderungen der modernsten CMOS-Technologie entspricht, z. B. Sub-3-nm-Knoten."

In Zukunft könnte die von Yang und seinen Kollegen vorgeschlagene Herstellungsstrategie verwendet werden, um andere vielversprechende 2D-Halbleitermaterialien mit gleitender Ferroelektrizität zu synthetisieren. Diese Materialien könnten wiederum verwendet werden, um neue hochleistungsfähige Rechen-in-Speicher-Geräte zu entwickeln und so zur zukünftigen Weiterentwicklung der Elektronik beitragen.

"Unsere Arbeit hat die Umschaltfähigkeit von epitaktischen gleitenden ferroelektrischen Materialien und die Anwendbarkeit dieser kürzlich entdeckten physikalischen Eigenschaft in Bezug auf Speicher gezeigt", fügten Yang und Yann-Wen Lan hinzu. "Unsere epitaktischen Filme besitzen ein großes Potenzial für die Entwicklung von großdimensionierten Hochdurchsatz-Speichergeräten. Mit einem besseren Verständnis des Zusammenhangs zwischen Umschaltmechanismen und Bereichsmikrostrukturen arbeiten wir jetzt daran, eine Speichergeschwindigkeit mit hoher Umschaltgeschwindigkeit und langanhaltender Retention zu entwickeln."

Journal information: Nature Electronics

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