Las computadoras pueden ser cada vez más pequeñas y más poderosas, pero requieren una gran cantidad de energía para funcionar. La cantidad total de energía que los EE. UU. dedican a la informática ha aumentado drásticamente durante la última década y se está acercando rápidamente a la de otros sectores importantes, como el transporte.
En un estudio publicado en línea esta semana, la revista Naturaleza, Universidad de California, Berkeley, los ingenieros describen un gran avance en el diseño de un componente de transistores, los pequeños interruptores eléctricos que forman los componentes básicos de las computadoras, que podrían reducir significativamente su consumo de energía sin sacrificar la velocidad, el tamaño o el rendimiento. El componente, llamado óxido de puerta, juega un papel clave en el encendido y apagado del transistor.
«Hemos podido demostrar que nuestra tecnología de óxido de puerta es mejor que los transistores disponibles comercialmente: lo que la industria de semiconductores de un billón de dólares puede hacer hoy: esencialmente podemos vencerlos», dijo el autor principal del estudio, Sayeef Salahuddin, profesor distinguido de TSMC. de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en UC Berkeley.
Este aumento en la eficiencia es posible gracias a un efecto llamado capacitancia negativa, que ayuda a reducir la cantidad de voltaje que se necesita para almacenar carga en un material. Salahuddin predijo teóricamente la existencia de capacitancia negativa en 2008 y demostró por primera vez el efecto en un cristal ferroeléctrico en 2011.
El nuevo estudio muestra cómo se puede lograr la capacitancia negativa en un cristal diseñado compuesto por una pila de capas de óxido de hafnio y óxido de circonio, que es fácilmente compatible con transistores de silicio avanzados. Al incorporar el material en los transistores modelo, el estudio demuestra cómo el efecto de capacitancia negativa puede reducir significativamente la cantidad de voltaje requerida para controlar los transistores y, como resultado, la cantidad de energía consumida por una computadora.
“En los últimos 10 años, la energía utilizada para la computación ha aumentado exponencialmente, ya representa porcentajes de un solo dígito de la producción mundial de energía, que crece solo de forma lineal, sin un final a la vista”, dijo Salahuddin. «Por lo general, cuando usamos nuestras computadoras y nuestros teléfonos celulares, no pensamos en cuánta energía estamos usando. Pero es una cantidad enorme y solo va a aumentar. Nuestro objetivo es reducir la energía necesidades de este componente básico de la computación, porque eso reduce las necesidades de energía para todo el sistema».
Llevando la capacitancia negativa a la tecnología real
Las computadoras portátiles y los teléfonos inteligentes de última generación contienen decenas de miles de millones de diminutos transistores de silicio, y cada uno de ellos debe controlarse mediante la aplicación de un voltaje. El óxido de puerta es una capa delgada de material que convierte el voltaje aplicado en una carga eléctrica, que luego cambia el transistor.
La capacitancia negativa puede aumentar el rendimiento del óxido de puerta al reducir la cantidad de voltaje requerida para lograr una carga eléctrica determinada. Pero el efecto no se puede lograr en cualquier material. La creación de capacitancia negativa requiere una manipulación cuidadosa de una propiedad del material llamada ferroelectricidad, que ocurre cuando un material exhibe un campo eléctrico espontáneo. Anteriormente, el efecto solo se lograba en materiales ferroeléctricos llamados perovskitas, cuya estructura cristalina no es compatible con el silicio.
En el estudio, el equipo demostró que la capacitancia negativa también se puede lograr mediante la combinación de óxido de hafnio y óxido de circonio en una estructura cristalina diseñada llamada superred, que conduce a ferroelectricidad y antiferroelectricidad simultáneamente.
«Descubrimos que esta combinación en realidad nos da un efecto de capacitancia negativa aún mejor, lo que muestra que este fenómeno de capacitancia negativa es mucho más amplio de lo que se pensaba originalmente», dijo el coautor del estudio, Suraj Cheema, investigador postdoctoral en UC Berkeley. «La capacitancia negativa no solo ocurre en la imagen convencional de un ferroeléctrico con un dieléctrico, que es lo que se ha estudiado durante la última década. De hecho, puede hacer que el efecto sea aún más fuerte mediante la ingeniería de estas estructuras de cristal para explotar la antiferroelectricidad junto con la ferroelectricidad. «
Los investigadores encontraron que una estructura de superred compuesta por tres capas atómicas de óxido de circonio intercaladas entre dos capas atómicas individuales de óxido de hafnio, con un espesor total de menos de dos nanómetros, proporcionó el mejor efecto de capacitancia negativa. Debido a que la mayoría de los transistores de silicio de última generación ya usan un óxido de puerta de 2 nanómetros compuesto de óxido de hafnio sobre dióxido de silicio, y dado que el óxido de circonio también se usa en tecnologías de silicio, estas estructuras de superred se pueden integrar fácilmente en transistores avanzados. .
Para probar qué tan bien funcionaría la estructura de superred como un óxido de puerta, el equipo fabricó transistores de canal corto y probó sus capacidades. Estos transistores requerirían aproximadamente un 30 % menos de voltaje manteniendo los puntos de referencia de la industria de semiconductores y sin pérdida de confiabilidad, en comparación con los transistores existentes.
«Uno de los problemas que vemos a menudo en este tipo de investigación es que podemos demostrar varios fenómenos en los materiales, pero esos materiales no son compatibles con los materiales informáticos avanzados, por lo que no podemos beneficiar a la tecnología real», dijo Salahuddin. dicho. «Este trabajo transforma la capacitancia negativa de un tema académico a algo que realmente podría usarse en un transistor avanzado.«
Nirmaan Shanker de UC Berkeley también es coautor de este estudio. Otros coautores incluyen a Li-Chen Wang, Cheng-Hsiang Hsu, Shang-Lin Hsu, Yu-Hung Liao, Wenshen Li, Jong-Ho Bae, Steve K. Volkman, Daewoong Kwon, Yoonsoo Rho, Costas P. Grigoropoulos, Ramamoorthy Ramesh y Chenming Hu de UC Berkeley; Matthew San Jose, Jorge Gomez, Wriddhi Chakraborty, Patrick Fay y Suman Datta de la Universidad de Notre Dame; Gianni Pinelli, Ravi Rastogi, Dominick Pipitone, Corey Stull, Matthew Cook, Brian Tyrrell y Mohamed Mohamed del Laboratorio Lincoln del Instituto Tecnológico de Massachusetts; Vladimir A. Stoica de la Universidad Estatal de Pensilvania; Zhan Zhang y John W. Freeland del Laboratorio Nacional de Argonne; Christopher J. Tassone y Apurva Mehta del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC; Ghazal Saheli y David Thompson de Applied Materials; Dong Ik Suh y Won-Tae Koo de SK Hynix; Kab-Jin Nam, Dong Jin Jung, Woo-Bin Song, Seunggeol Nam y Jinseong Heo de Samsung Electronics; Chung-Hsun Lin de Intel Corporation; Narendra Pariha y Souvik Mahapatra del Instituto Indio de Tecnología; y Padraic Shafer y Jim Ciston del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
Esta investigación fue apoyada en parte por el Berkeley Center for Negative Capacitance Transistors (BCNCT), el programa DARPA Technologies for Mixed-mode Ultra Scaled Integrated Circuits (T-MUSIC), el proyecto University of California Multicampus Research Programs and Initiatives (UC MRPI) y el Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias, Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, División de Ingeniería y Ciencias de los Materiales bajo el contrato No. DE-AC02-05-CH11231 (Programa de codiseño de microelectrónica).
