> FocusUnimore > numero 34 – marzo 2023
Reliability of Ferroelectric Devices: the furure of next-generation electronics
Ferroelectrics are special materials in which electrical charge can be stored in a (semi-) permanent and reversible manner. Thanks to this, ferroelectrics can be used to make ‘non-volatile’ semiconductor memories. It is also possible to use ferroelectrics to make neurosynaptic devices that can mimic the behaviour of biological synapses. These devices can be used in electronic systems inspired by the functioning of the human brain for artificial intelligence applications. The electronics research group Devices, Circuits & Systems of the Enzo Ferrari Engineering Department – DIEF, led by Prof. Paolo Pavan and Prof. Francesco Maria Puglisi, has dedicated itself to the study of ferroelectric devices, in particular to researching the reliability of ferroelectric transistors, known as FeFETs. The team published a review article entitled ‘Reliability of HfO2-Based Ferroelectric FETs: A Critical Review of Current and Future Challenges’ in the prestigious journal Proceedings of the IEEE, which delves into technological developments in the field of electrical and computer engineering. The review article, which could become a benchmark for the scientific community on ferroelectrics, is part of a fruitful research collaboration with Prof. Muhammad Ashraful Alam of Purdue University, USA, an expert on electronic devices and Fellow of the IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). The research activity, which led to the publication of contributions in prestigious international scientific journals, was carried out by Dr Nicolò Zagni during his mobility period during his PhD at Purdue University and as a research fellow at DIEF. The discovery of ferroelectric properties in hafnium oxide (HfO2) has opened up the possibility of integrating these devices on a large scale, as HfO2 is a material used for the manufacture of transistors in the CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) family, which is the basis of almost all commercial devices.
Il 23 Dicembre 1947 il primo transistor funzionante fu dimostrato ai Bell Labs da John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley. Questa importantissima invenzione valse loro il premio Nobel per la Fisica e rivoluzionò per sempre il mondo.
A 75 anni da allora, la ricerca per realizzare dispositivi a semiconduttore sempre più performanti e più efficienti è più vitale che mai.
Una delle tecnologie più promettenti sono i dispositivi ferroelettrici. I ‘ferroelettrici’ sono particolari materiali nei quali può essere immagazzinata della carica elettrica in modo (semi) permanente e reversibile. Grazie a queste loro proprietà, i ferroelettrici possono essere utilizzati per realizzare memorie ‘non-volatili’ a semiconduttore. Inoltre è possibile utilizzare i ferroelettrici per realizzare dispositivi neuro-sinaptici in grado di mimare il comportamento delle sinapsi biologiche. Questi dispositivi possono essere impiegati in sistemi elettronici ispirati al funzionamento del cervello umano per applicazioni di intelligenza artificiale.
Date le enormi potenzialità della tecnologia, il gruppo di ricerca di elettronica Devices, Circuits & Systems del Dip. di Ingegneria Enzo Ferrari – DIEF, guidato dal Prof. Paolo Pavan e dal Prof. Francesco Maria Puglisi, si è dedicato negli ultimi anni allo studio dei dispositivi ferroelettrici, in particolare alla ricerca dell’affidabilità dei transistor ferroelettrici, denominati FeFET.
Il gruppo di studiosi ha pubblicato un articolo di revisione dal titolo “Reliability of HfO2-Based Ferroelectric FETs: A Critical Review of Current and Future Challenges” sulla prestigiosa rivista Proceedings of the IEEE che approfondisce gli sviluppi tecnologici nel campo dell’ingegneria elettronica e informatica.
L’articolo di revisione, che potrebbe diventare un punto di riferimento per la comunità scientifica sui ferroelettrici, si inserisce nel contesto di una proficua collaborazione di ricerca instauratasi a partire dal 2018 con il Prof. Muhammad Ashraful Alam della Purdue University, USA, un esperto di dispositivi elettronici e Fellow dell’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).
L’attività di ricerca, che ha portato alla pubblicazione di contributi su riviste scientifiche internazionali di prestigio, è stata portata avanti dal Dott. Nicolò Zagni, prima nel corso del periodo di mobilità durante il dottorato di ricerca nel 2018 e nel 2019 a Purdue University, poi come assegnista di ricerca presso il DIEF.
“Il lavoro – afferma il Prof. Paolo Pavan – consolida e conferma la collaborazione di ricerca che si è instaurata con il collega Prof. Alam della Purdue University, che conoscevamo per la sua fama e per la qualità dei suoi lavori scientifici. Grazie alla disponibilità e alle qualità del Dott. Nicolò Zagni, attualmente assegnista di ricerca nel nostro Dipartimento di Ingegneria Enzo Ferrari, e sfruttando il Bando Unimore per il finanziamento di azioni di mobilità, – siamo riusciti a dare inizio ad una collaborazione internazionale che ha già portato alla pubblicazione di diversi articoli scientifici e ora anche a questo articolo di revisione critica che speriamo diventi un riferimento importante per la comunità scientifica sui ferroelettrici. Al momento una dottoranda del nostro gruppo si trova all’estero a lavorare proprio su questi temi in uno dei centri più importanti nel settore, dimostrando come l’argomento sta diventando via via più centrale nella nostra ricerca”.
Fig. 1 (a) Illustrazione della cross-section di un generico transistor ferroelettrico basato su HfO2. (b) Tipica caratteristica di trasferimento del dispositivo, avente due differenti percorsi determinati dal valore di polarizzazione immagazzinata nel ferroelettrico. MW è la finestra di memoria. (c) Illustrazione delle caratteristiche di affidabilità di una memoria a semiconduttore, descritte tipicamente dal mantenimento nel tempo del dato (retention) e dalla resistenza massima del dispositivo a sequenze di cicli di scrittura (endurance).
“L’articolo di revisione recentemente pubblicato ” – spiega il Prof. Francesco Maria Puglisi – conferma il nostro gruppo di ricerca come eccellenza nel campo dello studio dei dispositivi ferroelettrici a livello internazionale. Infatti, in sinergia con le ricerche portate avanti dal dottor Zagni, in collaborazione con la Purde University, negli ultimi quattro anni il nostro gruppo di ricerca ha avuto modo di partecipare da protagonista ad un importante progetto europeo sul tema finanziato dalla Commissione Europea denominato “BeFerroSynaptic”, in collaborazione con altri dieci partner di assoluto prestigio a livello europeo. Con il progetto “BeFerroSynaptic” – prosegue il Prof. Puglisi – si è riusciti a sviluppare una piattaforma tecnologica basata su dispositivi sinaptici ferroelettrici all’interno di un’architettura ‘neuro-ispirata’ in cui le funzioni di calcolo e memoria vengono svolte insieme da un’unica unità sinaptica, aprendo la strada ad un’elettronica di nuova generazione necessaria per la prossima rivoluzione dell’intelligenza artificiale pervasiva e al servizio dell’uomo.”
Il futuro dell’elettronica di nuova generazione ha radici lontane.
I primi dispositivi elettronici integranti materiali ferroelettrici furono concepiti e realizzati negli anni ’60 del Novecento. Tuttavia, solo grazie alla recente scoperta nel 2007 della proprietà ferroelettriche nell’ossido di afnio (HfO2) si è aperta la possibilità di integrare questi dispositivi su vasta scala. L’importanza dell’HfO2 risiede nel fatto che è un materiale utilizzato per la fabbricazione di transistor della famiglia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) alla base della quasi totalità dei device commerciali. Perciò l’HfO2 può essere integrato in modo relativamente semplice come materiale ferroelettrico per le future generazioni di transistor ultra scalati, fornendo vantaggi in termini di prestazioni ed efficienza energetica.
“Dopo un’eccezionale e ininterrotta corsa di 50 anni circa, il tradizionale ridimensionamento dei transistor ha raggiunto infine i suoi limiti fisici (determinati dall’effetto tunneling e dal surriscaldamento) [1]. Abbiamo bisogno di innovazioni profonde a livello di materiale, dispositivo, circuito e di sistema per mantenere la legge di Moore valida nel prossimo futuro. A questo riguardo, – commenta il Prof. Muhammad Ashraful Alam della Purdue University, USA, – i transistor con ferroelettrici nello stack di gate (FeFET) promettono nuove funzionalità logiche e di memoria, operazione a basso consumo, fondamentali per lo sviluppo futuro. Tuttavia, la loro affidabilità è ancora non ben compresa e quantificata. Abbiamo scritto questo articolo di revisione approfondito rivolgendoci sia ai nuovi ingegneri e ricercatori nel settore sia a quelli più esperti per mettere in rilievo i meccanismi limitanti l’affidabilità dei FeFET, nonché le opportunità per risolvere le sfide a partire da diversi approcci (dal materiale al sistema).
Confidiamo che l’articolo si ponga come riferimento essenziale per favorire lo sviluppo di tecnologie FeFET che possano funzionare con migliori prestazioni e maggiore affidabilità nel futuro”.
Riferimenti Bibliografici
[1] Lundstrom, Mark S., and Muhammad A. Alam. “Moore’s law: The journey ahead.” Science (2022). https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.ade2191
APPROFONDIMENTI
Sito web gruppo di elettronica: https://www.e-lab.unimore.it/
Articolo Proceedings of the IEEE: https://ieeexplore.ieee.org/document/10034743
Sito web progetto BeFerroSynaptic: http://www.beferrosynaptic.eu/
Reprinted from Jae Young Kim, Min-Ju Choi, and Ho Won Jang, “Ferroelectric field effect transistors: Progress and perspective”, APL Materials 9, 021102 (2021) with the permission of AIP Publishing.
