铁电半导体，扮演重要角色
2023.2.8
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在研究人员看来，铁电半导体是将主流计算与下一代架构连接起来的竞争者，现在密歇根大学的一个团队已经将它们制造得只有 5 纳米厚——大约只有 50 个原子的跨度。 这为将铁电技术与计算机和智能手机中使用的传统组件相结合、扩展人工智能和传感能力铺平了道路。它们还可以启用无电池设备，这对于为智能家居提供动力的物联网 (IoT) 至关重要，可以识别工业系统的问题并提醒人们注意安全风险等。 “这将允许实现超高效、超低功耗、与主流半导体完全集成的设备，” UM 电气与计算机工程教授、该研究的共同通讯作者Zetian Mi说。“这对于未来的人工智能和物联网相关设备来说非常重要。” 铁电半导体从其他半导体中脱颖而出，因为它们可以维持电极化，就像磁性的电版本。但与冰箱磁铁不同的是，它们可以切换正极和负极。此属性可用于多种用途，包括感测光和声振动，以及收集它们以获取能量。 “这些铁电设备可以自供电，”米说。“他们可以收集环境能量，这非常令人兴奋。” 它们提供了一种不同的方式来存储和处理经典信息和量子信息。例如，两个电极化状态可以作为计算中的一和零。这种计算方式还可以模拟神经元之间的连接，从而实现大脑中的记忆存储和信息处理。这种架构被称为神经形态计算，非常适合支持通过神经网络处理信息的 AI 算法。 以电极化的形式存储能量比 RAM 中的电容器需要更少的能量，RAM 中的电容器会不断汲取能量，否则会丢失它们存储的数据，甚至可能比 SSD 更耐用。这种内存可以更密集地封装，增加容量，并且对包括极端温度、湿度和辐射在内的恶劣环境更加稳健。 Mi 的团队之前曾在由掺有钪的氮化铝制成的半导体中展示铁电行为，这种金属有时用于强化高性能自行车和战斗机中的铝。然而，要在现代计算设备中使用它，他们需要能够将其制成薄于 10 纳米或大约 100 个原子厚度的薄膜。 他们通过一种称为分子束外延的技术实现了这一点，这种方法与制造驱动 CD 和 DVD 播放器中激光器的半导体晶体的方法相同。在具有强烈蒸汽朋克氛围的机器中，他们能够放置 5 纳米厚的晶体——这是有史以来最小的尺寸。他们通过精确控制铁电半导体中的每一层原子，并最大限度地减少表面原子的损失来做到这一点。 “通过减少厚度，我们表明我们很有可能降低工作电压，”电气和计算机工程研究科学家、该研究的第一作者王丁说。“这意味着我们可以减小设备的尺寸并降低运行期间的功耗。” 此外，纳米级制造提高了研究人员研究材料基本特性的能力，发现了其在小尺寸下的性能极限，并且由于其不寻常的光学和声学特性，可能为其在量子技术中的应用开辟道路。 “凭借这种薄度，我们可以真正探索微小的物理相互作用，”UM 电气和计算机工程研究科学家 Ping Wang 说。“这将帮助我们开发未来的量子系统和量子设备。” 该研究由国防高级研究计划局资助。
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