El pequeño transistor es el corazón de la revolución electrónica, y los científicos de materiales de Penn State acaban de descubrir una manera de darle un gran impulso a este caballo de batalla, utilizando una nueva técnica para incorporar óxido de vanadio, un óxido funcional, en los dispositivos electrónicos.
"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 agregar a los existentesdispositivos 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 pensaron que si pudieran agregar óxido de vanadio cerca del transistor de un dispositivo, podría aumentar el rendimiento del transistor. Además, al agregarlo a la celda de memoria, podría mejorar la estabilidad y la eficiencia energética para leer, escribir y mantener la informaciónEl mayor 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 escala de obleas.
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 debe controlarse con precisión. Cuando la proporción es exactamentea la derecha, el material mostrará un cambio de resistencia de más de cuatro órdenes de magnitud, suficiente para una respuesta de encendido / apagado suficientemente fuerte.
El equipo de Penn State informa en el diario en línea Comunicaciones de la naturaleza que son los primeros en lograr el crecimiento de películas delgadas de dióxido de vanadio en obleas de zafiro de 3 pulgadas con una proporción perfecta de 1 a 2 de vanadio a oxígeno en toda la oblea. El material se puede usar para hacer transistores de efecto de campo híbrido,llamados hiper-FET, que podrían conducir a transistores más eficientes energéticamente. A principios de este año, también en Comunicaciones de la naturaleza , un grupo de investigación dirigido por Suman Datta, profesor de ingeniería eléctrica y electrónica, Penn State, demostró que la adición de dióxido de vanadio proporcionó una conmutación empinada y reversible a temperatura ambiente, reduciendo los efectos del autocalentamiento y reduciendo los requisitos de energía deel transistor
La implementación del dióxido de vanadio también puede beneficiar las tecnologías de memoria existentes, una búsqueda que los investigadores de Penn State están buscando activamente.
"La propiedad metal-aislante del dióxido de vanadio puede idealmente mejorar las memorias no volátiles de última generación al usar el material como un dispositivo de aumento, que, curiosamente, también puede servir como un selector en alguna arquitectura de memoria", dijo Sumeet Gupta, Profesor Asistente Monkowski de Ingeniería Eléctrica y líder de grupo del Laboratorio de Circuitos y Dispositivos Integrados, 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.
"Para determinar la proporción correcta de vanadio a oxígeno, aplicamos un enfoque no convencional en el que depositamos simultáneamente óxido de vanadio con diferentes proporciones de vanadio a oxígeno a través de la oblea de zafiro", dijo Hai-Tian Zhang, estudiante de doctorado.en el grupo de Engel-Herbert. "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 1 a 2 vanadio a oxígeno en la película. Este nuevo métodopermitir 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 se usó 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 corteun orden de magnitud más alto 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, las personas tendrán muchas ideas excelentes sobre cómo se puede usar ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Estado Penn . Original escrito por Walt Mills. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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