«Трудно заменить существующую транзисторную технологию, потому что полупроводники делают такую фантастическую работу», – сказал Роман Энгель-Герберт, доцент кафедры материаловедения и инженерии. "Но есть некоторые материалы, такие как оксид ванадия, которые можно добавлять в существующие устройства, чтобы они работали еще лучше."
Исследователи знали, что диоксид ванадия, который представляет собой просто определенную комбинацию элементов ванадия и кислорода, обладает необычным свойством, называемым переходом металл-изолятор. В металлическом состоянии электроны движутся свободно, в то время как в состоянии изолятора электроны не могут течь.
Этот переход вкл / выкл, свойственный диоксиду ванадия, также является основой компьютерной логики и памяти.
У исследователей была идея, что если бы они могли добавить оксид ванадия рядом с транзистором, это могло бы повысить производительность транзистора. Точно так же, добавив его в ячейку памяти, он может улучшить стабильность и энергоэффективность для чтения, записи и поддержания информационного состояния.
Основная проблема, с которой они столкнулись, заключалась в том, что диоксид ванадия достаточно высокого качества никогда не выращивался в виде тонкой пленки в масштабе, необходимом для использования в промышленности, так называемом масштабе пластин. Хотя диоксид ванадия, целевое соединение, выглядит просто, его очень сложно синтезировать. Чтобы создать резкий переход металл-изолятор, необходимо точно контролировать соотношение ванадия и кислорода.
При правильном соотношении материал будет демонстрировать изменение сопротивления более чем на четыре порядка, что достаточно для достаточно сильной реакции включения / выключения.
В статье в онлайн-журнале Nature Communications команда Penn State впервые сообщает о росте тонких пленок диоксида ванадия на 3-дюймовых сапфировых пластинах с идеальным соотношением ванадия к кислороду 1: 2 по всей пластине. Материал может быть использован для изготовления гибридных полевых транзисторов, называемых гипер-полевыми транзисторами, что может привести к созданию более энергоэффективных транзисторов. В статье, опубликованной ранее в этом году, также в Nature Communications, исследовательская группа под руководством профессора.
Суман Датта из Пенсильванского университета показал, что добавление диоксида ванадия обеспечивает резкое и обратимое переключение при комнатной температуре, уменьшая эффекты самонагрева и снижая потребность транзистора в энергии.
Но есть еще кое-что. Внедрение диоксида ванадия также может принести пользу существующим технологиям памяти, и исследователи из Пенсильванского университета активно работают над этим поиском.
«Свойство диоксида ванадия превращать металл в изолятор может идеально улучшить современную энергонезависимую память, используя ее в качестве дополнительного устройства, которое, что интересно, также может служить селектором в некоторой архитектуре памяти», – сказал он. Сумит Гупта, доцент кафедры электротехники Монковски и руководитель группы лаборатории интегральных схем и устройств Пенсильванского университета.
Селектор гарантирует, что чтение или запись информации на микросхеме памяти выполняется в пределах одной ячейки памяти, без перетекания в соседние ячейки. Селектор работает, изменяя удельное сопротивление ячейки, что диоксид ванадия делает очень хорошо.
Кроме того, изменение удельного сопротивления оксида ванадия можно использовать для значительного повышения устойчивости операции чтения.
Ведущий автор данной статьи Хай-Тянь Чжан, аспирант в группе Энгеля-Герберта, сказал: «Чтобы определить правильное соотношение ванадия к кислороду, мы применили нетрадиционный подход, в котором мы одновременно наносим оксид ванадия с различным содержанием ванадия и кислорода. -кислородные отношения через сапфировую пластину. Используя эту «библиотеку» соотношений ванадия и кислорода, мы можем выполнить расчеты потока, чтобы определить оптимальную комбинацию, которая дала бы идеальное соотношение ванадий / кислород 1: 2 в пленке.
Этот новый метод позволит быстро определить оптимальные условия роста для промышленных приложений, избегая долгой и утомительной серии экспериментов методом проб и ошибок."
Тонкопленочный материал из диоксида ванадия, выращенный с помощью этого метода, также использовался для изготовления сверхвысокочастотных переключателей в сотрудничестве с группой Datta в Пенсильвании и Нотр-Даме, технологией, важной в области связи.
Эти переключатели показывают частоты среза на порядок выше, чем у обычных устройств. Об этой работе будет доложено на IEEE International Electron Device Meeting, ведущем форуме, посвященном технологическим прорывам в индустрии полупроводников и электронных устройств, в декабре.
«Мы начинаем понимать, что класс материалов, демонстрирующих эти реакции включения / выключения, может быть полезен различными способами в информационных технологиях, таких как повышение надежности и энергоэффективности операций чтения / записи и вычислений в памяти, логических и коммуникационных устройствах, "Энгель-Герберт сказал. «Когда вы сможете производить высококачественный диоксид ванадия в масштабе пластин, у людей появится много отличных идей о том, как его можно использовать."