Equipo desarrolla transistores con ferroelectricidad deslizante basados en disulfuro de molibdeno conmutables en polaridad.

23 de diciembre de 2023

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

En los últimos años, los ingenieros han estado tratando de idear diseños de hardware alternativos que permitan que un solo dispositivo realice cálculos y almacene datos al mismo tiempo. Estos nuevos dispositivos electrónicos, conocidos como dispositivos de cómputo en memoria, podrían tener numerosas ventajas, incluyendo velocidades más rápidas y capacidades mejoradas de análisis de datos.

Para almacenar datos de manera segura y mantener un bajo consumo de energía, estos dispositivos deben basarse en materiales ferroeléctricos con propiedades ventajosas y que puedan reducirse en términos de grosor. Se ha descubierto que los semiconductores bidimensionales (2D) que exhiben una propiedad conocida como ferroelectricidad deslizante son candidatos prometedores para la realización de la computación en memoria, sin embargo, lograr la necesaria polarización eléctrica conmutable en estos materiales puede resultar difícil.

Investigadores de la Universidad Normal Nacional de Taiwán, el Instituto de Investigación en Semiconductores de Taiwán, la Universidad Nacional Yang Ming Chiao Tung y la Universidad Nacional Cheng Kung recientemente idearon una estrategia efectiva para lograr una polarización eléctrica conmutable en disulfuro de molibdeno (MoS2). Utilizando este método, detallado en un artículo de Nature Electronics, finalmente desarrollaron nuevos transistores ferroeléctricos prometedores para aplicaciones de cómputo en memoria.

"Descubrimos accidentalmente numerosos límites de dominio paralelo distribuidos en nuestras escamas de MoS2, coincidiendo con el momento en que se informó la confirmación experimental de la ferroelectricidad deslizante en materiales 2D", dijo Tilo H Yang, coautor del artículo, a Phys.org. "Este descubrimiento nos inspiró a considerar si este MoS2 rico en límites de dominio se puede utilizar para el desarrollo de una memoria ferroeléctrica".

El objetivo principal del estudio reciente de Yang y sus colegas fue identificar un método prometedor para sintetizar directamente MoS2 epitaxial con ferroelectricidad deslizante. La estrategia de fabricación que identificaron finalmente les permitió crear nuevos transistores ferroeléctricos prometedores con características ventajosas.

"Una etapa importante en la fabricación de nuestros transistores ferroeléctricos es establecer el canal de MoS2 3R en un material ferroeléctrico conmutable durante el proceso de crecimiento por deposición química en fase vapor (CVD)", explicó Yang. "La formación de límites de dominio en películas de MoS2 3R es necesaria para tener la capacidad de cambiar de dominios polarizados; sin embargo, esto es raro en la mayoría de las películas epitaxiales de MoS2 3R. En el artículo, presentamos una estrategia de síntesis para aumentar la probabilidad de que aparezcan límites de dominio en el material, dotándolo de la capacidad de voltear de dominio en respuesta al voltaje de la compuerta".

Los investigadores evaluaron sus transistores ferroeléctricos en una serie de pruebas iniciales y encontraron que tuvieron un buen desempeño, exhibiendo una ventana de memoria promedio de 7V con una tensión aplicada de 10V, tiempos de retención superiores a 104 segundos y resistencia mayor a 104 ciclos. Estos resultados destacan su potencial para aplicaciones de cómputo en memoria.

"Nuestros transistores semiconductores ferroeléctricos cuentan con no volatilidad, capacidad de ser reprogramados y ferroelectricidad deslizante con campos de conmutación bajos, aprovechando las dislocaciones inducidas por transformación en nuestra película de MoS2 3R", dijo Yang. "Con un grosor de aproximadamente dos capas atómicas, el dispositivo es un componente prometedor que puede adaptarse a los requisitos de la tecnología CMOS de última generación, por ejemplo, a nodos inferiores a 3 nm".

En el futuro, la estrategia de fabricación propuesta por Yang y sus colegas podría usarse para sintetizar otros materiales semiconductores bidimensionales prometedores con ferroelectricidad deslizante. Estos materiales podrían, a su vez, utilizarse para crear nuevos dispositivos de cómputo en memoria altamente eficientes, contribuyendo al avance futuro de la electrónica.

"Nuestro trabajo demostró la capacidad de conmutación de materiales ferroeléctricos deslizantes epitaxiales y la aplicabilidad de esta propiedad física recientemente descubierta en términos de memoria", agregaron Yang y Yann-Wen Lan. "Nuestras películas epitaxiales tienen un gran potencial para el desarrollo de dispositivos de memoria a gran escala y alto rendimiento. Con una mejor comprensión de la correlación entre los mecanismos de conmutación y las microestructuras de los dominios, ahora estamos avanzando para desarrollar una memoria con velocidad de conmutación alta y retención prolongada".

Información sobre la revista: Nature Electronics

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