Разработана технология транзисторов, которая позволяет одному полупроводниковому устройству выполнять несколько функций одновременно

Команда под руководством профессора Бён Хун Ли с кафедры электротехники и кафедры полупроводниковой инженерии POSTECH, а также доктора Джэ Хён Джуна с кафедры электротехники разработала технологию транзисторов, которая позволяет одному полупроводниковому устройству выполнять несколько функций одновременно. Новый подход значительно упрощает проектирование схем и повышает скорость обработки данных в четыре раза по сравнению с традиционными методами. Результаты исследования были опубликованы в Advanced Functional Materials, международном журнале, посвященном материаловедению и электронным устройствам.

Одной из ключевых проблем в полупроводниковой промышленности является интеграция большего количества функций в микросхемы меньшего размера. С увеличением количества функций растет и количество необходимых схем и транзисторов. Однако при добавлении новых функций в уже изготовленные полупроводниковые микросхемы последующая обработка (back-end-of-line, BEOL) должна проводиться при температуре ниже 400 °C, чтобы не повредить существующую структуру микросхемы.

Исследовательская группа сосредоточилась на оксиде цинка (ZnO) и теллуре (Te). Оба материала можно получить в виде тонких однородных пленок при температуре ниже 200 °C, что делает их перспективными кандидатами на роль полупроводниковых материалов следующего поколения. Объединив эти два материала, ученые создали гетеропереходный транзистор на основе ZnO и Te.

Устройство особым образом регулирует силу тока. В отличие от обычных полупроводников, в которых сила тока обычно увеличивается с ростом напряжения, это устройство демонстрирует отрицательную дифференциальную крутизну (Negative Differential Transconductance, NDT), при которой сила тока уменьшается в определенном диапазоне напряжений. Команда ученых успешно реализовала двойную отрицательную дифференциальную крутизну (Double Negative Differential Transconductance, D-NDT), при которой это явление происходит дважды подряд в одном устройстве. Проще говоря, эта технология позволяет одному устройству выполнять задачи, которые обычно распределяются между несколькими устройствами, тем самым снижая сложность схемы.

Главное — точно контролировать длину перекрытия двух материалов. Если область перекрытия короткая, ток меняется только один раз. Однако по мере увеличения области перекрытия в устройстве одновременно формируются как горизонтальные, так и вертикальные токи, что приводит к возникновению двойных пиков тока. Точно так же, как ток, идущий по прямой, становится способным к более сложной проводке при пересечении трехмерных объектов, устройство становится способным к более сложной обработке сигнала.

С помощью этого устройства команда реализовала четырехполюсник, который преобразует один входной сигнал в четыре выходных. Обычно для выполнения этой функции требуется несколько транзисторов, но новая технология позволяет обойтись одним устройством, сократив количество необходимых транзисторов на 75%. В ходе реальных экспериментов с цепями исследователи также подтвердили, что скорость обработки данных увеличивается в четыре раза за один цикл входного сигнала.

«Это исследование демонстрирует возможность реализации сложных функций на уровне одного устройства, — говорит профессор Бён Хун Ли. — Мы ожидаем, что эта технология найдет широкое применение при разработке сверхкомпактных устройств искусственного интеллекта и трехмерных интегрированных полупроводниковых систем высокой плотности».