Ett datorchip bearbetar och lagrar information med hjälp av två olika enheter. Om ingenjörer kunde kombinera dessa enheter till en eller placera dem bredvid varandra, då skulle det finnas mer utrymme på ett chip, gör det snabbare och kraftfullare.

Purdue Universitys ingenjörer har utvecklat ett sätt att de miljontals små switchar som används för att bearbeta information – så kallade transistorer – också kan lagra den informationen som en enhet.

Metoden, detaljerat i en tidning publicerad i Naturelektronik , uppnår detta genom att lösa ett annat problem:att kombinera en transistor med högpresterande minnesteknik än vad som används i de flesta datorer, kallas ferroelektriskt RAM.

Forskare har i årtionden försökt att integrera de två, men problem uppstår vid gränssnittet mellan ett ferroelektriskt material och kisel, halvledarmaterialet som utgör transistorer. Istället, ferroelektriskt RAM fungerar som en separat enhet på chipet, begränsar dess potential för att göra datoranvändningen mycket effektivare.

Ett team ledd av Peide Ye, Richard J. och Mary Jo Schwartz professor i el- och datateknik vid Purdue, upptäckte hur man kan övervinna dödsfiendens förhållande mellan kisel och ett ferroelektriskt material.

"Vi använde en halvledare som har ferroelektriska egenskaper. På så sätt blir två material ett material, och du behöver inte oroa dig för gränssnittsproblemen, " sa du.

Resultatet är en så kallad ferroelektrisk halvledarfälteffekttransistor, byggda på samma sätt som transistorer som för närvarande används på datorchips.

Materialet, alfaindiumselenid, har inte bara ferroelektriska egenskaper, men tar också upp frågan om ett konventionellt ferroelektriskt material som vanligtvis fungerar som en isolator snarare än en halvledare på grund av ett så kallat brett "bandgap, " vilket innebär att elektricitet inte kan passera och ingen datoranvändning sker.

Alfaindiumselenid har ett mycket mindre bandgap, gör det möjligt för materialet att vara en halvledare utan att förlora ferroelektriska egenskaper.

Mengwei Si, en Purdue-postdoktor i el- och datateknik, byggde och testade transistorn, fann att dess prestanda var jämförbar med befintliga ferroelektriska fälteffekttransistorer, och skulle kunna överträffa dem med mer optimering. Sumeet Gupta, en Purdue biträdande professor i el- och datateknik, och Ph.D. kandidat Atanu Saha gav modellstöd.

Si och Yes team arbetade också med forskare vid Georgia Institute of Technology för att bygga in alfaindiumselenid i ett utrymme på ett chip, kallas en ferroelektrisk tunnelövergång, som ingenjörer kan använda för att förbättra ett chips kapacitet. Teamet presenterar detta arbete den 9 december vid 2019 IEEE International Electron Devices Meeting.

Förr, forskare hade inte kunnat bygga en högpresterande ferroelektrisk tunnelförbindelse eftersom dess breda bandgap gjorde materialet för tjockt för att elektrisk ström skulle passera. Eftersom alfaindiumselenid har ett mycket mindre bandgap, materialet kan vara bara 10 nanometer tjockt, så att mer ström kan flöda genom den.

Mer ström gör att en enhetsarea kan skalas ner till flera nanometer, göra spånen mer tät och energieffektiv, sa du. Ett tunnare material – även ner till ett tjockt atomlager – innebär också att elektroderna på vardera sidan av en tunnelövergång kan vara mycket mindre, vilket skulle vara användbart för att bygga kretsar som efterliknar nätverk i den mänskliga hjärnan.