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(Noticias de Nanowerk) Los investigadores encontraron que una pila de materiales ultrafinos, caracterizados parcialmente en la fuente de luz avanzada (ALS), exhibe un fenómeno llamado capacitancia negativa, que reduce el voltaje requerido para la operación del transistor (Naturaleza“HfO ferroico ultrafino2-ZrO2 Superlattice Gate Stack para transistores avanzados»).
El material es totalmente compatible con la tecnología actual basada en silicio y puede reducir el consumo de energía sin sacrificar el tamaño o el rendimiento del transistor.
Alta eficiencia, baja interrupción
Gracias a las demandas cada vez mayores de procesamiento de información, se espera que la microelectrónica represente alrededor del 5% de toda la generación de electricidad para 2030. Mantener el progreso requiere un cambio fundamental hacia dispositivos más eficientes, con énfasis en materiales compatibles con la tecnología de silicio de vanguardia.
El fenómeno de la capacitancia negativa representa una solución potencial que promete reducir significativamente el consumo de energía en los dispositivos electrónicos mientras se integra a la perfección con los protocolos de semiconductores actuales. En este trabajo, los investigadores dieron un paso importante hacia la integración de la capacitancia negativa en transistores avanzados con el apoyo de varios grupos gubernamentales e industriales, incluidos Samsung, Intel, SK hynix, Applied Materials y DARPA.
en la puerta
Un transistor es esencialmente un interruptor de encendido y apagado para el flujo de corriente a través de un semiconductor, activado por un pequeño voltaje de un electrodo de «puerta». Una fina capa aislante (el óxido de la puerta) separa el semiconductor de la puerta. El aumento de la capacidad del óxido de la puerta para almacenar carga (es decir, su capacitancia) reduce el voltaje operativo del transistor y, por lo tanto, reduce el consumo total de energía.
En los transistores de silicio avanzados, el óxido de puerta es una combinación de óxido de silicio (SiO2) y óxido de hafnio (HfO2). En este trabajo, los investigadores reemplazaron el HfO2 con una pila multicapa que exhibe capacitancia negativa, un efecto contrario a la intuición donde la reducción del voltaje de la puerta aumenta la carga almacenada en el óxido de la puerta, manteniendo así el rendimiento a potencia reducida.
Estabilización de la capacidad negativa
La creación de capacitancia negativa requiere un material con algún tipo de orden interno interactivo. Los materiales ferroeléctricos, por ejemplo, dan lugar a dipolos eléctricos espontáneos (diminutas separaciones de carga creadas por distorsiones de red) que interactúan entre sí. En teoría, el efecto de capacitancia negativa puede amplificarse explotando tanto la ferroelectricidad como la antiferroelectricidad.
Para estudiar esto, los investigadores sintetizaron una pila de tres capas de átomos de óxido de circonio (ZrO2) entre dos capas de un solo átomo de HfO2. Se predijo que esta heteroestructura de hafnio-zirconio-hafnio (HZH) tiene una fuente de energía donde se estabiliza la capacitancia negativa.
Varias instalaciones de sincrotrón, la fuente de fotones avanzada, la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford y el ALS, proporcionaron datos valiosos sobre los cambios estructurales que conducen al orden ferroico en este sistema. Las imágenes avanzadas en Molecular Foundry de Berkeley Lab ayudaron a mapear las propiedades estructurales a nanoescala del material.
Detección de la transición de fase
En ALS Beamline 4.0.2, los investigadores utilizaron estudios de espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) dependiente de la temperatura y dicroísmo lineal de rayos X (XLD) para estudiar la evolución estructural entre las fases ferroeléctrica y antiferroeléctrica en el HZH.
Los resultados establecieron los orígenes microscópicos subyacentes de la capacitancia negativa y ayudaron a identificar una transición antiferroeléctrica a ferroeléctrica cerca de la temperatura ambiente, lo que sugiere un delicado equilibrio entre estas fases en competencia que ayuda a estabilizar la capacitancia negativa. Dado que las mediciones eléctricas complementarias no pudieron sondear directamente la película HZH de 2 nm de espesor, los datos XAS proporcionaron la mejor evidencia de la transición de fase ferroica subyacente.
De cara al futuro, los investigadores esperan poder demostrar la capacitancia negativa en este sistema hasta un grosor de 1nm, en consonancia con las futuras arquitecturas de transistores. Desde una perspectiva de diseño de materiales, este trabajo establece que la capacitancia negativa puede surgir de un orden ferroeléctrico-antiferroeléctrico en competencia, expandiendo así el espacio de fase ferroico para estudios adicionales de capacitancia negativa.
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