XiP-Rechenrevolution Multitalent: Neuartiger ferroelektrischer Transistor schaltet und speichert

Anbieter zum Thema

Jauch Quartz GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Eurocircuits GmbH

Die Big-Data-Revolution braucht mehr Rechenleistung, als selbst modernste elektronische Hardware bereitstellen kann. Ein neuartiger, superdünner Sandwich-Transistor könnte das Problem lösen.

Das Tempo in der Datenverarbeitung nimmt rasant zu. Immer schneller müssen zunehmend größere und komplexere Datensätze gespeichert, durchsucht und analysiert werden. Dies setzt die Entwickler von Prozessoren unter Druck: Die Chips müssen kleiner, schneller und energieeffizienter werden.

Ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FE-FETs) sind eine der faszinierendsten Antworten auf diese Herausforderung. Vergleichbar mit herkömmlichen Transistoren auf Siliziumbasis sind FE-FETs Schalter, die sich mit extrem hoher Geschwindigkeit ein- und ausschalten können.

Bildergalerie

FE-FETs haben jedoch noch eine zusätzliche Funktion, die herkömmliche Transistoren nicht besitzen: Aufgrund ihrer ferroelektrischen Eigenschaften können sie elektrische Ladungen speichern. Dank dieser Eigenschaft können sie sowohl als nichtflüchtiger Speicher als auch als Recheneinheit eingesetzt werden.

Ideal für Execute-in-Place-(XiP-)Processing

Da sie sowohl Daten speichern als auch verarbeiten können, sind FE-FETs Gegenstand zahlreicher Forschungs- und Entwicklungsprojekte. Denn damit eignen sie sich ideal für so genanntes Execute-in-Place-(XiP-)Processing, bei dem Daten nicht erst aus dem Speicher über den Flaschenhals Speicherinterface in den Prozessor geladen werden müssen.

Forscher der University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science haben nun ein neues FE-FET-Design vorgestellt, das Rekordleistungen sowohl bei der Datenverarbeitung als auch -speicherung erreicht.

In einer kürzlich in 'Nature Nanotechnology' veröffentlichten Studie unter der Leitung von Deep Jariwala, Associate Professor am Department of Electrical and Systems Engineering (ESE), und Kwan-Ho Kim, Doktorand in seinem Labor, wurde das Design erstmals vorgestellt.

Sandwich aus zweidimensionalem Halbleiter und ferroelektrischem Isolatormaterial

Der Transistor schichtet einen zweidimensionalen Halbleiter namens Molybdändisulfid (MoS2) auf ein ferroelektrisches Material genannt Aluminium-Scandium-Nitrid (AlScN). Er zeigt damit zum ersten Mal, dass diese beiden Materialien effektiv kombiniert werden können, um Transistoren in Größen herzustellen, die für die industrielle Fertigung interessant sind.

„Da wir diese Bauelemente aus einer Kombination eines ferroelektrischen Isolatormaterials und eines 2D-Halbleiters hergestellt haben, sind beide sehr energieeffizient“, sagte Jariwala. „Man kann sie sowohl zum Rechnen als auch zum Speichern verwenden – austauschbar und mit hoher Effizienz.“

Nur 0,7 nm: „Beispiellose Dünnheit“

Das Bauteil des Penn Engineering-Teams zeichne sich durch seine beispiellose Dünnheit aus, die es ermöglicht, jedes einzelne Bauteil auf minimaler Fläche zu betreiben. Darüber hinaus können die winzigen Bauteile in großen Arrays hergestellt werden, die auf industriellen Plattformen skalierbar sind.

„Da unser MoS2-Halbleiter nur 0,7 nm dick ist, waren wir nicht sicher, ob er den Ladungen standhalten würde, die unser ferroelektrisches Material AlScN auf ihn überträgt“, sagt Kim. „Zu unserer Überraschung haben nicht nur beide überlebt, sondern auch die Stromstärke, die der Halbleiter übertragen kann, war rekordverdächtig.“

Je mehr Strom ein Bauteil leiten kann, desto schneller kann es in Computeranwendungen arbeiten. Und je geringer der Widerstand, desto schneller der Zugriff auf den Speicher.

Durchbruch in der Transistortechnologie

Die Kombination von MoS2 und AlScN soll ein Durchbruch in der Transistortechnologie sein. Die FE-FETs anderer Forscherteams wurden immer wieder durch den Verlust der ferroelektrischen Eigenschaften behindert, sobald die Bauelemente auf industrietaugliche Größenordnungen miniaturisiert wurden.

Denn bis zu dieser Studie führte die Miniaturisierung von FE-FETs zu einer starken Verkleinerung des „Speicherfensters“. Das bedeutet, dass der Speicher des Bauelement bei einer Verkleinerung des Transistordesigns immer unzuverlässiger wird – er verwechselt Einsen mit Nullen und umgekehrt, was die Fehlerquote erhöht und die Gesamtleistung erheblich beeinträchtigt.

Kleines Bauteil, großes Speicherfenster

Das Jariwala-Labor und seine Mitarbeiter haben ein Design entwickelt, bei dem das Speicherfenster groß bleibt und die Abmessungen des Bauteils beeindruckend klein sind. Mit AlScN bei 20 nm und MoS2 bei 0,7 nm speichert der FE-FET zuverlässig Daten für den schnellen Zugriff.

„Der Schlüssel“, so Olsson, „ist unser ferroelektrisches Material AlScN. Im Gegensatz zu vielen anderen ferroelektrischen Materialien behält es seine einzigartigen Eigenschaften auch bei sehr geringer Dicke. In einer kürzlich veröffentlichten Arbeit meiner Gruppe haben wir gezeigt, dass es seine einzigartigen ferroelektrischen Eigenschaften auch bei noch geringeren Dicken behält: 5 nm“.

Geeignet für Einsatz in der KI, Sensorik, Kommunikation

Die nächsten Schritte des Forschungsteams werden sich auf die weitere Miniaturisierung konzentrieren, um Bauelemente herzustellen, die mit so niedrigen Spannungen arbeiten, dass sie mit der Herstellung moderner Verbrauchergeräte kompatibel sind.

„Unsere FE-FETs sind unglaublich vielversprechend“, sagt Jariwala. „Wenn sie weiterentwickelt werden, könnten diese vielseitigen Bauelemente in fast jeder denkbaren Technologie zum Einsatz kommen, insbesondere in solchen, die KI-fähig sind und große Datenmengen benötigen, erzeugen oder verarbeiten – von der Sensorik bis zur Kommunikation und darüber hinaus.“ (me)

Neuromorphes Computing

Mit Hafniumdioxid-Speicher zum „denkenden Chip“

FeRAM aus Dresden: „Wir wollen das ARM für Speicher werden!“

Forschung

Wie Wissenschaftler die Mikroelektronik der Zukunft vorantreiben wollen

Weitere Informationen

* Henning Wriedt ist freier Fachautor

(ID:49739046)