Ändringsbara transistorer viktiga i framtidens halvledare

När vanliga transistorer börjar närma sig gränsen för hur små de kan bli, blir fler funktioner på samma antal enheter allt viktigare för att vi ska kunna fortsätta att utveckla små och energisnåla kretsar – annars blir det inga snabbare minnen eller kraftfullare datorer. Forskare vid LTH har i två artiklar i Science Advances och Nature Communications visat både hur man kan skapa nya ändringsbara transistorer och på en ny detaljerad nivå kontrollera hur styrningen går till.

I och med att behovet för allt bättre, kraftfullare och mer effektiva kretsar ökar finns det också ett stort intresse för det man kallar rekonfigurerbara fälteffekttransistorer (FET). Fördelen här är att man kan ändra transistorns egenskaper efter att de är tillverkade, till skillnad från vanliga halvledare.

Historiskt har datorers beräkningskraft och effektivitet förbättrats genom att skala ner kiseltransistorers storlek, det vi känner till som Moores lag. Problemet som vi möter nu är att man kommit så pass långt att kostnaderna för att fortsätta den utvecklingen blivit allt högre, samtidigt som det uppstått kvantmekaniska problem som fått utvecklingen att sakta ner.

Den valda vägen förbi detta har varit sökandet efter nya material, komponenter och kretsar. I Lund är man bland de världsledande på så kallat III-V-material som är ett alternativ till kisel. Det är material med stor potential för att utveckla högfrekvensteknologi (som exempelvis delar av framtidens 6G- och 7G-nät), optiska applikationer och allt mer energisnåla elektroniska komponenter, det framgår av ett pessmeddelande.

För att skapa detta används så kallade ferroelektriska material, speciella material som kan ändra sin inre polarisation när de utsätts för elektriska fält. Tänk dig en magnet, en helt vanligt magnet, fast istället för en magnetisk nordpol respektive sydpol så bildas elektriska poler med en positiv och en negativ laddning på respektive sida av materialet. Forskarna förklarar att genom att ändra polarisationen styr man transistorn, och ytterligare en fördel är att materialet ”kommer ihåg” sin polarisation även om spänningen bryts.

Genom en ny kombination av material har forskarna skapat ferroelektriska ”korn” som styr en tunnelövergång – en elektrisk övergång – i transistorn. Detta på en extremt liten skala, kornen är 10 nanometer stora. I den nu publicerade forskningen har man undersökt nya ferroelektriska minnen i form av transistorer med tunnlingsbarriärer för att kunna skapa nya kretsarkitekturer.

– Målet är att kunna skapa så kallade neuromorfa kretsar, det vill säga kretsar som är anpassade för artificiell intelligens genom att de i sin uppbyggnad efterliknar den mänskliga hjärnan med dess synapser och neuroner, säger Anton Persson, nyligen disputerad doktorand i nanoelektronik och en av författarna till artiklarna, i pressmeddelandet.

Forskarna har också tittat på hur man kan använda denna kunskap just för att skapa olika rekonfigurerbara applikationer genom att på olika sätt manipulera signalen som går genom transistorn. Det skulle exempelvis kunna användas till nya minnesceller eller än mer energieffektiva transistorer. Denna nya typ av transistor kallas ferro-TFET och kan användas i såväl digitala som analoga kretsar.

– Det intressanta är att det går att förändra ingångssignalen på olika sätt, till exempel genom att transistorn ändrar fas, dubbla frekvensen eller blanda signaler. Eftersom transistorn kommer ihåg sina egenskaper även när strömmen stängs av slipper man ställa in dem på nytt varje gång kretsen används, säger Zhongyunshen Zhu, doktorand i nanoelektronik och en av artikelförfattarna.