Negli ultimi anni, gli ingegneri hanno cercato di ideare progetti hardware alternativi che consentissero a un singolo dispositivo sia di eseguire calcoli che di archiviare dati. Questi dispositivi elettronici emergenti, noti come dispositivi di elaborazione in memoria, potrebbero presentare numerosi vantaggi, tra cui velocità più elevate e capacità di analisi dei dati migliorate.
Per archiviare i dati in modo sicuro e mantenere un basso consumo energetico, questi dispositivi dovrebbero essere basati su materiali ferroelettrici con proprietà vantaggiose e che possano essere ridotti in termini di spessore. Si è scoperto che i semiconduttori bidimensionali (2D) che presentano una proprietà nota come ferroelettricità scorrevole sono candidati promettenti per realizzare l'elaborazione in memoria, ma ottenere la necessaria polarizzazione elettrica commutabile in questi materiali può rivelarsi difficile.
I ricercatori della National Taiwan Normal University, del Taiwan Semiconductor Research Institute, della National Yang Ming Chiao Tung University e della National Cheng Kung University hanno recentemente ideato una strategia efficace per ottenere una polarizzazione elettrica commutabile nel bisolfuro di molibdeno (MoS2 ). Utilizzando questo metodo, descritto in Nature Electronics documento, alla fine hanno sviluppato nuovi promettenti transistor ferroelettrici per applicazioni di calcolo in memoria.
"Abbiamo scoperto per caso numerosi confini di domini distribuiti in parallelo nella nostra MoS2 fiocchi, in coincidenza con il momento in cui è stata segnalata la conferma sperimentale dello scorrimento della ferroelettricità nei materiali 2D", ha detto a Phys.org Tilo H Yang, coautore dell'articolo. "Questa scoperta ci ha ispirato a considerare se questo dominio ricco di confini MoS2 può essere utilizzato per lo sviluppo della memoria ferroelettrica."
L'obiettivo principale del recente studio di Yang e dei suoi colleghi era identificare un metodo promettente per sintetizzare direttamente il MoS2 epitassiale con ferroelettricità scorrevole. La strategia di fabbricazione identificata ha infine consentito loro di creare nuovi promettenti transistor ferroelettrici con caratteristiche vantaggiose.
"Una fase importante nella fabbricazione dei nostri transistor ferroelettrici è la creazione del 3R-MoS2 canale in un materiale ferroelettrico commutabile durante il processo di crescita della deposizione chimica in fase vapore (CVD)," ha spiegato Yang. "La formazione dei confini del dominio in 3R-MoS2 è necessario che le pellicole possiedano la capacità di commutare i domini polarizzati; tuttavia, questo è raro nella maggior parte dei 3R MoS2 epitassiali film. Nel documento, abbiamo presentato una strategia di sintesi per aumentare la possibilità che compaiano confini di dominio nel materiale, dotandolo della capacità di invertire il dominio in risposta alla tensione di gate."
I ricercatori hanno valutato i loro transistor ferroelettrici in una serie di test iniziali e hanno scoperto che funzionavano bene, mostrando una finestra di memoria media di 7 V con una tensione applicata di 10 V, tempi di ritenzione superiori a 10 4 secondi e resistenza superiore a 10 4 cicli. Questi risultati evidenziano il loro potenziale per le applicazioni di computing in memoria.
"I nostri transistor semiconduttori ferroelettrici sono caratterizzati da non volatilità, riprogrammabilità e bassi campi di commutazione che fanno scorrere la ferroelettricità, puntando sulle dislocazioni indotte dalla trasformazione di taglio nel nostro 3R MoS2 pellicola", ha detto Yang. "Con uno spessore di circa due strati atomici, il dispositivo è un componente promettente che può adattarsi ai requisiti della tecnologia CMOS all'avanguardia, ad esempio, nodi inferiori a 3 nm."
In futuro, la strategia di fabbricazione proposta da Yang e dai suoi colleghi potrebbe essere utilizzata per sintetizzare altri promettenti materiali semiconduttori 2D con ferroelettricità scorrevole. Questi materiali potrebbero a loro volta essere utilizzati per creare nuovi dispositivi di calcolo in memoria ad alte prestazioni, contribuendo al futuro progresso dell'elettronica.
"Il nostro lavoro ha dimostrato la capacità di commutazione dei materiali ferroelettrici a scorrimento epitassiale e l'applicabilità di questa proprietà fisica scoperta di recente in termini di memoria", hanno aggiunto Yang e Yann-Wen Lan. "I nostri film epitassiali hanno un grande potenziale per lo sviluppo di dispositivi di memoria su larga scala e ad alto rendimento. Con una migliore comprensione della correlazione tra meccanismi di commutazione e microstrutture di dominio, stiamo ora andando avanti per sviluppare una memoria ad alta velocità di commutazione e a lunga ritenzione ."
Ulteriori informazioni: Tilo H. Yang et al, Transistori ferroelettrici basati sul disolfuro di molibdeno impilato romboedrico mediato dalla trasformazione di taglio, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01073-0
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