Инженеры MIT разрабатывают магнитный транзистор для более энергоэффективной электроники | MIT News

Транзисторы, строительные блоки современной электроники, обычно изготовлены из кремния. Поскольку это полупроводник, этот материал может контролировать поток электричества в цепи. Но кремний имеет фундаментальные физические ограничения, которые ограничивают, насколько компактным и энергоэффективным может быть транзистор.

Исследователи MIT теперь заменили кремний магнитным полупроводником, создавая магнитный транзистор, который может позволить небольшим, более быстрым и более энергоэффективным цепи. Магнетизм материала сильно влияет на его электронное поведение, что приводит к более эффективному контролю потока электроэнергии.

Команда использовала новый магнитный материал и процесс оптимизации, который уменьшает дефекты материала, что повышает производительность транзистора.

Уникальные магнитные свойства материала также позволяют провести транзисторы со встроенной памятью, которая упростит конструкцию схемы и разблокирует новые приложения для высокопроизводительной электроники.

«Люди знали о магнитах в течение тысячелетий, но существуют очень ограниченные способы включения магнетизма в электронику. Мы продемонстрировали новый способ эффективно использовать магнетизм, который открывает множество возможностей для будущих приложений и исследований»,-говорит Чунг-Тао Чоу, студент MIT в отделе электротехники и компьютерных наук (EECS) и физические авторы.

Чоу присоединился к документу со стороны автора со-ведущего Юджина Парка, аспиранта в Департаменте материаловедения и инженерии (DMSE); Джулиан Кляйн, научный сотрудник DMSE; Josep Ingla-Laynes, постдок в Центре науки о плазме и слияния MIT; Jagadeesh S. Moodera, старший научный сотрудник факультета физики; и старшие авторы Фрэнсис Росс, профессор TDK в DMSE; и Луцяо Лю, доцент профессора EECS и член исследовательской лаборатории электроники; а также другие в Университете химии и технологий в Праге. Бумага Появляется сегодня в Письма о физическом обзореПолем

Преодоление ограничений

В электронном устройстве кремниевые полупроводниковые транзисторы действуют как крошечные выключатели света, которые включают и выключают цепь, или усиливают слабые сигналы в системе связи. Они делают это с помощью небольшого входного напряжения.

Но фундаментальный физический предел полупроводников кремния предотвращает работу транзистора ниже определенного напряжения, что препятствует его энергоэффективности.

Чтобы сделать более эффективную электронику, исследователи потратили десятилетия, работая над магнитными транзисторами, которые используют электронный спин для контроля потока электроэнергии. Electron Spin – это фундаментальное свойство, которое позволяет электронам вести себя как крошечные магниты.

До сих пор ученые в основном ограничивались использованием определенных магнитных материалов. У них не хватает благоприятных электронных свойств полупроводников, ограничивая производительность устройства.

«В этой работе мы объединяем магнетизм и физику полупроводников, чтобы реализовать полезные спинтронические устройства», – говорит Лю.

Исследователи заменяют кремний в поверхностном слое транзистора с хромическим бромидом серы, двумерным материалом, который действует как магнитный полупроводник.

Из -за структуры материала исследователи могут очень чисто переключаться между двумя магнитными состояниями. Это делает его идеальным для использования в транзисторе, который плавно переключается между «включено» и «выключен».

«Одной из самых больших проблем, с которыми мы столкнулись, было найти правильный материал. Мы попробовали много других материалов, которые не работали», – говорит Чоу.

Они обнаружили, что изменение этих магнитных состояний изменяет электронные свойства материала, что обеспечивает низкоэнергетическую работу. И в отличие от многих других двухмерных материалов, хромивый серный бромид остается стабильным в воздухе.

Чтобы сделать транзистор, исследователи рисуют электроды на кремниевую подложку, затем тщательно выровняют и перенесите 2D материал сверху. Они используют ленту, чтобы забрать крошечный кусок материала, гуще всего несколько десятков нанометров, и поместить ее на подложку.

«Многие исследователи будут использовать растворители или клей для выполнения переноса, но транзисторы требуют очень чистой поверхности. Мы устраняем все эти риски, упрощая этот шаг», – говорит Чоу.

Используя магнетизм

Это отсутствие загрязнения позволяет их устройству превосходить существующие магнитные транзисторы. Большинство других могут создать только слабый магнитный эффект, изменяя поток тока на несколько процентов или менее. Их новый транзистор может переключаться или усилить электрический ток в 10.

Они используют внешнее магнитное поле для изменения магнитного состояния материала, переключая транзистор, используя значительно меньшую энергию, чем обычно требуется.

Материал также позволяет им управлять магнитными состояниями с помощью электрического тока. Это важно, потому что инженеры не могут применять магнитные поля на отдельные транзисторы в электронном устройстве. Им нужно управлять каждым электрически.

Магнитные свойства материала также могут позволить транзисторам со встроенной памятью, упрощая конструкцию логики или схем памяти.

Типичное устройство памяти имеет магнитную ячейку для хранения информации и транзистора, чтобы прочитать ее. Их метод может объединиться как в один магнитный транзистор.

«Теперь, не только транзисторы включаются и выключены, но и помнят информацию. И поскольку мы можем переключить транзистор с большей величиной, сигнал намного сильнее, поэтому мы можем прочитать информацию быстрее и гораздо более надежным», – говорит Лю.

Опираясь на эту демонстрацию, исследователи планируют дальнейшее изучение использования электрического тока для управления устройством. Они также работают над тем, чтобы сделать свой метод масштабируемым, чтобы они могли изготовить массивы транзисторов.

Это исследование было частично поддержано Корпорацией по полупроводниковым исследованиям, Агентством Advanced Research Projects (DARPA), Национальным научным фондом США (NSF), Министерством энергетики США, исследовательским управлением армии США и Чехии Министерства образования, молодежи и спорта. Работа была частично выполнена на объектах mit.nano.