Transistor de efecto de campo de hierro (Fe FET)

Un transistor de efecto de campo ferroeléctrico ( Fe FET ) es un tipo de transistor de efecto de campo que incluye un material ferroeléctrico intercalado entre el electrodo de puerta y la región de conducción fuente-drenador del dispositivo (el canal ). La polarización permanente del campo eléctrico en el material ferroeléctrico hace que este tipo de dispositivo mantenga el estado del transistor (encendido o apagado) en ausencia de cualquier polarización eléctrica.

Los dispositivos basados ​​en FeFET se utilizan en la memoria FeFET , un tipo de memoria no volátil de un solo transistor .

En 1955, Ian Munro Ross presentó una patente para un FeFET o MFSFET. Su estructura era similar a la de un MOSFET de canal de inversión moderno, pero se utilizó material ferroeléctrico como dieléctrico/aislante en lugar de óxido. ^{[ 1 ]} El uso de un ferroeléctrico ( sulfato de triglicina ) en una memoria de estado sólido fue propuesto por Moll y Tarui en 1963 utilizando un transistor de película delgada . ^{[ 2 ]} Se realizaron más investigaciones en la década de 1960, pero las características de retención de los dispositivos basados ​​en película delgada fueron insatisfactorias. ^{[ 3 ]} Los primeros dispositivos basados ​​en transistores de efecto de campo utilizaron titanato de bismuto (Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂ ) ferroeléctrico, o Pb _1−x Ln _x TiO ₃ ( PLT ) y zirconatos/titanatos mixtos relacionados ( PLZT ). ^{[ 3 ]} A finales de la década de 1980 se desarrolló la RAM ferroeléctrica , utilizando una película delgada ferroeléctrica como condensador, conectada a un FET de direccionamiento. ^{[ 3 ]}

Los dispositivos de memoria basados ​​en FeFET se leen utilizando voltajes inferiores al voltaje coercitivo del ferroeléctrico. ^{[ 4 ]}

Los problemas que implica la realización de un dispositivo de memoria FeFET práctico incluyen (a partir de 2006): la elección de una capa altamente aislante y de alta permitividad entre el ferroeléctrico y la compuerta; problemas con la alta polarización remanente de los ferroeléctricos; tiempo de retención limitado (aprox. unos pocos días, cf. los 10 años requeridos). ^{[ 5 ]}

Siempre que la capa ferroeléctrica pueda escalarse adecuadamente, se espera que los dispositivos de memoria basados ​​en FeFET se escalen (reduzcan) tan bien como los dispositivos MOSFET; sin embargo, puede existir un límite  lateral de ~20 nm ^{[ 6 ]} (el límite superparaeléctrico , también conocido como límite ferroeléctrico). Otros desafíos para la reducción de características incluyen: la reducción del espesor de la película que causa efectos de polarización adicionales (no deseados); la inyección de carga; y las corrientes de fuga. ^{[ 5 ]}

Investigación y desarrollo

En 2017 se informó que se había construido una memoria no volátil basada en FeFET en el nodo de 22 nm utilizando FDSOI CMOS ( silicio totalmente agotado sobre aislante ) con dióxido de hafnio (HfO₂ ₎ como ferroeléctrico; el tamaño de celda FeFET más pequeño reportado fue de 0,025 μm² ^, los dispositivos se construyeron como matrices de 32 Mbit, utilizando pulsos de activación/desactivación de ~10 ns de duración a 4,2 V; los dispositivos mostraron una resistencia de 10⁵ ^ciclos y retención de datos hasta 300C. ^{[ 7 ]}

A partir de 2017La empresa emergente Ferroelectric Memory Company está intentando desarrollar una memoria FeFET basada en dióxido de hafnio para convertirla en un dispositivo comercial. Se afirma que la tecnología de la empresa es escalable a los tamaños de nodos de proceso modernos y se integra con los procesos de producción contemporáneos, como HKMG , y se integra fácilmente en los procesos CMOS convencionales, requiriendo solo dos máscaras adicionales. ^{[ 8 ]}

• Memoria RAM ferroeléctrica , memoria RAM que utiliza un material ferroeléctrico en el condensador de una estructura DRAM convencional.

• Ishiwara, Hiroshi (2012), "FeFET y memorias de acceso aleatorio ferroeléctricas", Heteroestructuras de óxido multifuncionales , pp. 340–363 , doi : 10.1093/acprof:oso/9780199584123.003.0012 , ISBN  978-0-19-958412-3