ERC Advanced Grant för forskning om ferroelektriska transistorer

Lars-Erik Wernersson, professor i nanoelektronik, får EU:s ERC Advanced Grant för integration av nya material i framtidens högpresterande och energisnåla transistorer och kretslösningar.

I dag används kisel som material i de allra flesta transistorer och andra komponenter. Problemet är i vissa fall begränsningar i att dessa förbrukar mycket energi och blir varma, vilket kan leda till överhettning i höghastighetselektronik och skapa problem med för kort drifttid i bärbar elektronik och batteridrivna sensornätverk. För framtidens behov behövs även mer energieffektiva material. Dessa kan komplettera och integreras med kiselkomponenter för att på så sätt nå bästa möjliga effekt av respektive teknologis styrkor.

Traditionella transistorer begränsas över hur låg drivspänning de kan ha utan att prestanda förloras. För att komma runt detta krävs nya transistorer som använder helt andra fysikaliska processer.

– Vi har utvecklat en III-V teknikplattform inkluderande ferroelektriska material och vår materialintegration är unik. Det finns ingen annan i Europa som har tillgång till motsvarande teknologi och prestanda, förutom vår forskargrupp. Teoretiskt kan man för vissa viktiga tillämpningar komma ner i drivspänning så att man når upp till 100 gångers energieffektivisering, säger Lars-Erik Wernersson.

I projektet kommer forskarna att studera de dynamiska egenskaperna för transistorer och kretsar speciellt inom millimetervågsområdet. I takt med att tekniken utvecklas och kraven på att skicka stora mängder information snabbt växer allt mer kommer man att behöva använda ett betydligt högre frekvensområde än i dag.

Lars-Erik Wernerssons forskargrupp tittar på frekvenser i området 30-300 GHz. Som en jämförelse verkar dagens 5G-teknik på runt 30 GHz och det finns radar som använder 60 GHz. Kommande 6G- och 7G-tekniker kommer att behöva använda allt högre frekvenser

– Med högre frekvenser blir tekniken också mer energikrävande. Innovationer med ökad prestanda och minskad energiåtgång kan förändra hur vi bygger system, med ett stort värde för miljö, ekonomi och samhälle, säger Lars-Erik Wernersson.

De nya materialen kan användas inom många områden, som kommunikationsteknologi, AI och maskininlärning samt Internet of Things (informationsteknik för de allt fler enheter med sensorer eller datorer som är uppkopplade mot internet). Den högre prestandan gör det förutom att de är mer energieffektiva också möjligt att införa ny funktionalitet.

Ferro-transistorer är baserat på ferroelektriska material vilka är material som kan ha ett inbyggt elektriskt fält i sig. Ett sådant material kan ge ett extra spänningstillskott så att en transistor ”känner av” en högre drivspänning än vad som faktiskt används. På så sätt kan drivspänningen i princip sänkas utan att komponentens prestanda påverkas.

– Materialet kommer också ihåg hur det lagt sig och kan minnas detta i upp till tio år. Det kan vara  till stor nytta inom maskininlärning där tekniken ständigt behöver anpassa sig i takt med att den utvecklas. Sammantaget så kommer detta projekt att lägga en grogrund för en ny generation av strömsnål kretsteknik i Sverige och världen, säger Lars-Erik Wernersson.

Han berättar att de arbetar med tillämpad grundforskning, och därför har stor nytta av Max IV, där man i detalj kan studera de nya materialen. Men det som i botten är materialvetenskap ska omsättas i tillämpad forskning och framtagande av nya transistorer och kretslösningar.

– Möjligheten att förstå hur materialen beter sig ner på atomnivå ger oss stora fördelar när vi tittar på hur de kan integreras för tillämpning, säger Lars-Erik Wernersson.

ERC Advanced Grant ger Lars-Erik Wernersson 2,5 miljoner euro under fem år.

– Det är mycket hedrande. Det som är som är så bra med ERC är att de ger oss chansen till tillämpad grundforskning, alltså möjlighet att utforska saker utan att veta exakt vart det leder. Det är en stor risk, men har också stor potential om vi lyckas, säger Lars-Erik Wernersson.

Han ser också stora fördelar med att forskningen bedrivs i Lund, där den unika tekniken kan utvecklas med hjälp av Max IV och Nanolab. Lars-Erik Wernersson ser framför sig att teknologin kan bidra till utvecklingen av Brunnshög både i form av forskning, kommersialisering i form av nya bolag och direkt industrisamverkan.

Fakta Transistor

Transistorer är byggblock inom all modern elektronik. Transistorn fungerar som en spänningsstyrd strömbrytare som kan slå till eller ifrån. Transistorer blir allt mindre och de minsta framställs med hjälp av nanoteknik.

Fakta III-V teknikplattform

III-V syftar på material som finns inom grupp tre och fem i det periodiska systemet. Dessa karakteriseras av mycket goda transport- och optiska egenskaper.

Fakta Millimetervågsområdet

30–300 GHz har våglängder från 10 till 1 mm och skapar möjlighet för nya kommunikationskanaler med hög överföringshastighet. Högre frekvenser betraktades tidigare som olämpliga för mobila system på grund av nackdelar som svårigheter att få en tillräckligt stark signal, signalabsorption i regndroppar och behovet av fri sikt mellan sändare och mottagare (signalen blockeras av hinder som byggnader). En fördel är däremot att det möjliggör mycket små antenner.

För mer information, kontakta
Lars-Erik Wernersson, professor i nanoelektronik
E-post: lars-erik.wernersson@eit.lth.se
Telefon: +46 46 222 90 03

Lunds universitet grundades 1666 och rankas återkommande som ett av världens 100 främsta lärosäten. Här finns 40 000 studenter och mer än 8 000 medarbetare i Lund, Helsingborg och Malmö. Vi förenas i vår strävan att förstå, förklara och förbättra vår värld och människors villkor.

Läs fler nyheter på Ingång för media | Lunds universitet Prenumerera gärna på vårt nyhetsbrev Apropå! där några av universitetets drygt 5000 forskare kommenterar aktuella samhällshändelser. Också ett sammandrag av de senaste nyheterna på lu.se ingår.