計(jì)算能力每年都能呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，很大程度上歸功于芯片制造商在相同空間的硅芯片上塞入了越來越多的晶體管。然而基于硅基的芯片工藝正接近摩爾定律極限，因此人們正在探索新的材料，替代長期處于計(jì)算機(jī)行業(yè)核心的硅半導(dǎo)體。

賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的一個(gè)研究小組展示了在單個(gè)芯片上實(shí)際集成 RAM 和 ROM的方法，采用鐵電場效應(yīng)晶體管（FE-FET）器件將使芯片的空間效率更高，功能更強(qiáng)。

注：鐵電效應(yīng)——材料的晶體結(jié)構(gòu)在不加外電場時(shí)就具有自發(fā)極化現(xiàn)象，其自發(fā)極化的方向能夠被外加電場反轉(zhuǎn)或重新定向，鐵電材料的這種特性被稱為“鐵電現(xiàn)象”或“鐵電效應(yīng)”。

FE-FET器件可以快速切換狀態(tài)以進(jìn)行計(jì)算，但也能夠在不通電的情況下保持這些狀態(tài)，使它們既可以作為 Serving RAM 也可以作為 ROM。而制造實(shí)用 FE-FET 器件存在諸多障礙，首先由于鐵電材料的高溫要求，這種最能顯示必要的鐵電效應(yīng)的材料與大規(guī)模生產(chǎn)硅元件的技術(shù)不兼容。

在最近的一對(duì)研究中，他們證明了鈧摻雜的氮化鋁（AlScN），一種最近被發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)出鐵電性的材料，可以被用來制造 FE-FET 以及具有商業(yè)可行性的二極管-憶阻器型存儲(chǔ)器。

FE-FET 器件的插圖和電子顯微圖像（圖自：賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院）

實(shí)驗(yàn)人員表示，由于 AlScN 可以在相對(duì)較低的溫度下沉積，所以它代表了一種直接將存儲(chǔ)器與邏輯晶體管結(jié)合起來的可能性，只需要一種方法將它與芯片結(jié)構(gòu)的其他部分整合起來，最后他們使用單層二硫化鉬（MoS2）作為基于 AlScN 的 FE-FET 器件的通道。

團(tuán)隊(duì)下一步是縮小他們的存儲(chǔ)設(shè)備的尺寸。在他們的《Applied Physics Letters》論文中，他們展示了生產(chǎn)薄至 20 納米的 AlScN 的能力，減少了設(shè)備的整體尺寸以及它所需的電壓。

補(bǔ)充小科普：

為滿足5G時(shí)代的需求，德國弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所（IAF）開創(chuàng)性地開發(fā)出一種低功耗、高頻、高帶寬、緊湊的射頻濾波器（RF filter），其中使用的壓電材料就是AlScN，它目前是最有希望替代智能手機(jī)中射頻濾波器所用氮化鋁（AlN）的新材料。

通過在AlN中摻入鈧（Sc），可以提高材料的機(jī)電耦合系數(shù)和壓電系數(shù)，實(shí)現(xiàn)更有效的機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換，從而提高射頻元器件的工作效率。然而，纖鋅礦型結(jié)構(gòu)AlN和立方結(jié)構(gòu)ScN通常會(huì)在生長過程出現(xiàn)分離，因此壓電AlScN晶相的不穩(wěn)定性一直是阻礙該材料商用的主要問題。

粉體圈小吉整理