Ändringsbara transistorer viktiga i framtidens halvledare

Transistorer som kan ändra egenskaper är viktiga delar i utvecklingen av framtidens halvledare. När vanliga transistorer närmar sig sin gräns för hur små de kan bli, blir fler funktioner på samma antal enheter allt viktigare för att kunna utveckla små och energisnåla kretsar för allt bättre minnen och 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.

Med tanke på det allt mer ökande behovet av allt bättre, kraftfullare och effektiva kretsar finns ett stort intresse för så kallade rekonfigurerbara fälteffekttransistorer (FET). Fördelen med dessa är att det går att 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 (även känt som Moores lag). Men nu har man nått så långt att kostnaderna för att fortsätta den utvecklingen blivit allt högre, samtidigt som det uppstått kvantmekaniska problem som fått utvecklingen att sakta ner.

Ferroelektriska material

I stället letar man 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.

För att skapa detta används så kallade ferroelektriska material, speciella material som kan ändra sin inre polarisation när de utsätts för elektriska fält. Man kan likna det vid en vanlig magnet, fast i stället för en magnetisk nordpol respektive sydpol så bildas elektriska poler med en positiv och en negativ laddning på respektive sida av materialet. Genom att ändra polarisationen styr man transistorn. Ytterligare en fördel är att materialet ”kommer ihåg” sin polarisation även om spänningen bryts.

Extremt liten skala

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. Genom att mäta förändringar i den elektriska spänningen eller strömmen har man kunnat identifiera när polarisationen ändras i de enskilda kornen och därmed förstå hur detta påverkar transistorns beteende.

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, berättar Anton Persson, nyligen disputerad doktorand i nanoelektronik och en av författarna till artiklarna.

Halvledare som kan ändra egenskaper

Det speciella med de nya resultaten är att man har lyckats skapa tunna övergångar med ferroelektriska korn som sitter precis intill övergången. Dessa nanokorn kan sedan kontrolleras på individuell nivå – och inte som tidigare då man bara hade koll på hela grupper av korn, så kallade ensembler. På detta sätt kan man upptäcka och styra enskilda delar av materialet.

– För att kunna göra avancerade tillämpningar måste man förstå dynamiken i enskilda korn ner på atomnivå och också vilka defekter som finns. Den ökade förståelsen av materialet kan användas till att optimera funktionerna. Genom att styra dess ferroelektriska korn kan man sedan skapa nya halvledare där man kan ändra egenskaper. Genom att ändra den elektriska spänningen kan man alltså få fram olika funktioner i en och samma komponent, säger Lars-Erik Wernersson, professor i nanoelektronik och även handledare och medartikelförfattare.

Kan bli nya minnesceller 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.

Spjutspetsforskning

En annan fördel med dessa transistorer är att de kan fungera med låg spänning, vilket gör dem energisnåla, vilket behövs exempelvis för framtida trådlös kommunikation, Internet of Things och kvantdatorer.

– Detta anser jag vara spjutspetsforskning av internationell klass. Det är bra att vi i Lund och Sverige ligger långt framme när det gäller halvledare, särskilt med tanke på att EU nyligen antagit chips-act, som syftar till att stärka Europas position gällande halvledare, säger Lars-Erik Wernersson.