Ученые используют новую технологию для создания нового энергоэффективного микроэлектронного устройства

Прорыв может привести к разработке новых маломощных полупроводников или квантовых устройств.

По мере того как интегральные схемы, питающие наши электронные устройства, становятся более мощными, они также становятся меньше. Эта тенденция в микроэлектронике в последние годы только усилилась, поскольку ученые пытаются разместить на чипе все больше полупроводниковых компонентов.

Микроэлектроника сталкивается с ключевой проблемой из-за своего небольшого размера. Чтобы избежать перегрева, микроэлектроника должна потреблять лишь часть электроэнергии, чем обычная электроника, сохраняя при этом максимальную производительность.

Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) добились прорыва, который может позволить создать новый вид микроэлектронного материала, способный делать именно это. В новом исследовании, опубликованном в Передовые материалыкоманда из Аргонна предложила новый вид техники «окислительно-восстановительного вентиля», которая может контролировать движение электронов в полупроводниковый материал и из него.

«Окислительно-восстановительный потенциал» относится к химической реакции, которая вызывает перенос электронов. Микроэлектронные устройства обычно полагаются на электрический «эффект поля», чтобы контролировать поток электронов для работы. В ходе эксперимента ученые разработали устройство, которое могло регулировать поток электронов от одного конца к другому, прикладывая напряжение — по сути, своего рода давление, которое проталкивает электричество — через материал, который действовал как своего рода электронные ворота. Когда напряжение достигало определенного порога, примерно половины вольта, материал начинал инжектировать электроны через затвор из исходного окислительно-восстановительного материала в материал канала.

Используя напряжение для изменения потока электронов, полупроводниковое устройство может действовать как транзистор, переключаясь между более проводящим и более изолирующим состояниями.

«Новая стратегия окислительно-восстановительного вентилирования позволяет нам модулировать поток электронов в огромной степени даже при низких напряжениях, предлагая гораздо большую энергоэффективность», — сказал аргоннский материаловед Диллон Фонг, автор исследования. «Это также предотвращает повреждение системы. Мы видим, что эти материалы можно многократно использовать в цикле практически без ухудшения производительности».

«Контроль электронных свойств материала также имеет значительные преимущества для ученых, ищущих новые свойства за пределами обычных устройств», — сказал ученый-материаловед из Аргонна Вэй Чен, один из соавторов исследования.

«Режим субвольта, в котором работает этот материал, представляет огромный интерес для исследователей, стремящихся создать схемы, которые действуют аналогично человеческому мозгу, который также работает с большой энергоэффективностью», — сказал он.

Феномен окислительно-восстановительного вентиля также может быть полезен для создания новых квантовых материалов, фазами которых можно манипулировать при малой мощности, сказал физик из Аргонна Хуа Чжоу, еще один соавтор исследования. Более того, метод окислительно-восстановительного вентилирования может применяться к универсальным функциональным полупроводникам и низкоразмерным квантовым материалам, состоящим из устойчивых элементов.

Помимо Фонга, Чена и Чжоу, в число авторов входят Ле Чжан, Чанцзян Лю, Хуэй Цао, Эндрю Эрвин, Диллон Фонг, Ананд Бхаттачарья, Лупин Ю, Лилиана Стэн, Чунвэнь Цзоу и Мэтью В. Тиррелл.