Att hålla jämna steg med Moore’s lag med aktiva substrat och neuromorfisk datoranvändning

Nya halvledare behövs

Halvledarindustrin har konstant växt i betydelse under de senaste decennierna, från industriella huvuddatorer till en oumbärlig del av nästan varje maskin och enhet idag.
Denna tillväxt har drivits av halvledarnas ökande komplexitet och miniaturisering. Men på grund av de grundläggande fysikaliska egenskaperna hos kisel, börjar kiselbaserade halvledare att nå vissa gränser.
Lyckligtvis är kisel långt ifrån den enda materia som visar halvledaregenskaper, det vill säga förmågan att växla från en tillstånd där den fungerar som en isolator (inte låter elektricitet flöda) och en ledare (låter elektricitet flöda).
Ny forskning avslöjar nya insikter om den grundläggande fysiken i innovativa halvledarmaterial som vanadin dioxide och tidigare misstänkta halvledaregenskaper hos titan dioxide.
Forskningen utfördes av ett tvärvetenskapligt forskningsarbete som genomfördes av forskare vid Pennsylvania State University, Cornell University, Argonne National Laboratory, Georgia Institute of Technology och Tysklands Paul Drude Institute of Solid State Electronics i Berlin.

Vanadin & Moore’s lag

Det som gör vanadin dioxide till en primär kandidat för ny halvledarteknologi är vanadins förmåga att växla mellan metall — “1”-tillståndet — och isolator — “0”-tillståndet — på bara en trilliondel av en sekund.
Detta är ett fenomen som kallas “genomgå metal-isolator-övergångar.” Hastigheten på metal-isolator-övergången bör möjliggöra snabbare och mindre elektronik jämfört med klassisk kiselbaserad elektronik.
Detta är avgörande om vi vill se halvledarindustrin hålla jämna steg med Moore’s lag.
Formulerad 1965 är Moore’s lag den empiriska lagen att halvledarindustrin ökar antalet transistorer på en krets med 100% varannan år. Detta har varit sant i decennier, men de grundläggande begränsningarna på kiselchipp betyder att nya typer av material snart kommer att behövas för att hålla det sant.
Moore’s lag är en tillämpning av 1936 Wright’s lag, som säger att tillverkningskostnaderna kommer att minska med upp till 15% för varje fördubbling av produktionen (ursprungligen utvecklad för flygindustrin).
Wright’s lag är mer en regel om ekonomisk skala och industriell effektivitet när man skalar upp produktionen. Moore’s lag är mer om teknisk innovation och drivs av framsteg i förståelsen av grundläggande fysik och nanometerskala-teknik.

Nya insikter

Avancerade metoder

Tills nu har vanadin dioxide bara analyserats och observerats som en isolerad komponent. Medan det varit användbart, har det begränsat förståelsen av vad som faktiskt skulle hända i en halvledare som bygger på vanadin dioxide.
I sin publikation i Advanced Materials (“In-Operando Spatiotemporal Imaging of Coupled Film-Substrate Elastodynamics During an Insulator-to-Metal Transition“), gjorde forskarna flera nya upptäckter.
De använde röntgen-diffractionsmikroskopi för att observera förändringar i realtid och med precision på atomnivå.
Och de applicerade vanadin dioxide på toppen av en titan dioxide-substrat, som det skulle vara i en riktig halvledarchipp, istället för att studera det i isolering.

Källa: Advanced Materials