El pequeño transistor es el corazón de la revolución electrónica, y el científico de materiales de Penn State acaba de descubrir una forma de darle un gran impulso al transistor de caballo de batalla, utilizando una nueva técnica para incorporar óxido de vanadio, uno de una familia de materiales llamados óxidos funcionales, en el dispositivo.
"Es difícil reemplazar la tecnología actual de transistores, porque los semiconductores hacen un trabajo fantástico", dijo Roman Engel-Herbert, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales. "Pero hay algunos materiales, como el óxido de vanadio, que puede agregara dispositivos existentes para que funcionen aún mejor "
Los investigadores sabían que el dióxido de vanadio, que es solo una combinación específica de los elementos vanadio y oxígeno, tenía una propiedad inusual llamada transición de metal a aislador. En el estado metálico, los electrones se mueven libremente, mientras que en el estado aislante,los electrones no pueden fluir. Esta transición de encendido / apagado, inherente al dióxido de vanadio, también es la base de la lógica y la memoria de la computadora.
Los investigadores tuvieron la idea de que si pudieran agregar óxido de vanadio cerca del transistor podría aumentar el rendimiento del transistor. Del mismo modo, al agregarlo a la celda de memoria, podría mejorar la estabilidad y la eficiencia energética para leer, escribir y mantener elestado de información. El principal desafío que enfrentaron fue que el dióxido de vanadio de calidad suficientemente alta nunca se había cultivado en forma de película delgada en la escala requerida para ser utilizada en la industria, la llamada escala de oblea. Aunque el dióxido de vanadio, el compuesto objetivo, parece simple, es muy difícil de sintetizar. Para crear una transición aguda de metal a aislante, la proporción de vanadio a oxígeno necesita ser controlada con precisión. Cuando la proporción es exactamente correcta, el material mostrará más decambio de resistencia de cuatro órdenes de magnitud, suficiente para una respuesta de encendido / apagado suficientemente fuerte.
En un artículo en la revista en línea Nature Communications, el equipo de Penn State informa por primera vez el crecimiento de películas delgadas de dióxido de vanadio en obleas de zafiro de 3 pulgadas con una proporción perfecta de 1: 2 de vanadio a oxígeno en toda la obleaEl material se puede usar para hacer transistores de efecto de campo híbrido, llamados hiper-FET, que podrían conducir a transistores más eficientes energéticamente. En un artículo publicado a principios de este año, también en Comunicaciones de la naturaleza , el grupo de investigación dirigido por el Prof. Suman Datta en Penn State mostró que la adición de dióxido de vanadio proporcionó una conmutación abrupta y reversible a temperatura ambiente, reduciendo los efectos del autocalentamiento y disminuyendo los requisitos de energía del transistor.
Pero hay más. La implementación de dióxido de vanadio también puede beneficiar las tecnologías de memoria existentes, una búsqueda que los investigadores de Penn State están buscando activamente.
"La propiedad de metal a aislante del dióxido de vanadio puede idealmente mejorar las memorias no volátiles de última generación al usarlo como un dispositivo de aumento, que, curiosamente, también puede servir como un selector en alguna arquitectura de memoria,"dijo Sumeet Gupta, profesor asistente de ingeniería eléctrica de Monkowski y líder de grupo del Laboratorio de Circuitos y Dispositivos Integrados en Penn State.
Un selector asegura que la lectura o escritura de información en un chip de memoria se realiza dentro de una sola celda de memoria, sin sangrar en las celdas vecinas. El selector funciona cambiando la resistividad de la celda, que el dióxido de vanadio funciona extremadamente bien. Además,El cambio en la resistividad del óxido de vanadio se puede utilizar para aumentar significativamente la robustez de la operación de lectura.
El autor principal del artículo actual, Hai-Tian Zhang, un estudiante de doctorado en el grupo de Engel-Herbert, dijo: "Para determinar la proporción correcta de vanadio a oxígeno, aplicamos un enfoque no convencional en el que depositamos simultáneamente óxido de vanadio con vanadio variablerelaciones de oxígeno a oxígeno a través de la oblea de zafiro. Usando esta 'biblioteca' de relaciones de vanadio a oxígeno, podemos realizar cálculos de flujo para determinar la combinación óptima que daría una relación ideal de vanadio / oxígeno 1: 2 en la película.El nuevo método permitirá una identificación rápida de las condiciones óptimas de crecimiento para aplicaciones industriales, evitando una larga y tediosa serie de experimentos de prueba y error ".
El material de película delgada de dióxido de vanadio cultivado con este método también se ha utilizado para hacer interruptores de súper alta frecuencia, en colaboración con el grupo Datta en Penn State y Notre Dame, una tecnología importante en las comunicaciones. Estos interruptores muestran frecuencias de corte yorden de magnitud mayor que los dispositivos convencionales. Este trabajo se informará en la IEEE International Electron Device Meeting, el foro líder para informar sobre los avances tecnológicos en la industria de semiconductores y dispositivos electrónicos, en diciembre.
"Estamos comenzando a darnos cuenta de que la clase de materiales que exhiben estas respuestas de activación / desactivación puede ser beneficiosa de varias maneras en la tecnología de la información, como aumentar la robustez y la eficiencia energética de las operaciones de lectura / escritura y cálculo en memoria, lógica y comunicacióndispositivos ", dijo Engel-Herbert." Cuando se pueda producir dióxido de vanadio de alta calidad a escala de oblea, la gente tendrá muchas ideas excelentes sobre cómo se puede usar ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Investigación de Materiales de Penn State . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :