Μικρό σύνθετο τρανζίστορ ημιαγωγών θα μπορούσε να αμφισβητήσει την κυριαρχία του πυριτίου | Emerald Insight

Μικροσκοπικό σύνθετο τρανζίστορ ημιαγωγών θα μπορούσε να αμφισβητήσει την κυριαρχία του πυριτίου

Τύπος άρθρου: Νέα του κλάδου Από: Microelectronics International, Τόμος 30, Τεύχος 2

Ερευνητές του MIT ανέπτυξαν το μικρότερο τρανζίστορ ινδίου-γαλλίου-αρσενιδίου που κατασκευάστηκε ποτέ

Το στέμμα του πυριτίου απειλείται: οι μέρες του ημιαγωγού ως βασιλιά των μικροτσίπ για υπολογιστές και έξυπνες συσκευές θα μπορούσαν να είναι μετρημένες, χάρη στην ανάπτυξη του μικρότερου τρανζίστορ που κατασκευάστηκε ποτέ από ένα ανταγωνιστικό υλικό, το αρσενικούχο ίνδιο-γάλλιο.

Το σύνθετο τρανζίστορ, που κατασκευάστηκε από μια ομάδα στα Εργαστήρια Τεχνολογίας Μικροσυστημάτων του MIT, έχει καλή απόδοση παρά το γεγονός ότι έχει μήκος μόλις 22 nm (δισεκατομμυριοστά του μέτρου). Αυτό το καθιστά έναν πολλά υποσχόμενο υποψήφιο για να αντικαταστήσει τελικά το πυρίτιο στις υπολογιστικές συσκευές, λέει ο συν-προγραμματιστής Jesús del Alamo, καθηγητής Επιστήμης Donner στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Επιστήμης Υπολογιστών (EECS) του MIT, ο οποίος κατασκεύασε το τρανζίστορ με τον μεταπτυχιακό φοιτητή του EECS Jianqian Lin και τον Δημήτρη Αντωνιάδη, καθηγητή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Ray και Maria Stata.

Για να συμβαδίσουμε με τη ζήτησή μας για ολοένα και πιο γρήγορες και εξυπνότερες υπολογιστικές συσκευές, το μέγεθος των τρανζίστορ συρρικνώνεται συνεχώς, επιτρέποντας την ενσωμάτωση ολοένα και περισσότερων τρανζίστορ σε μικροτσίπ. «Όσο περισσότερα τρανζίστορ μπορείτε να τοποθετήσετε σε ένα τσιπ, τόσο πιο ισχυρό θα είναι το τσιπ και τόσο περισσότερες λειτουργίες θα εκτελεί», λέει ο del Alamo.

Καθώς όμως τα τρανζίστορ πυριτίου μειώνονται σε νανομετρική κλίμακα, η ποσότητα ρεύματος που μπορεί να παραχθεί από τις συσκευές συρρικνώνεται επίσης, περιορίζοντας την ταχύτητα λειτουργίας τους. Αυτό έχει οδηγήσει σε φόβους ότι ο νόμος του Moore - η πρόβλεψη του ιδρυτή της Intel, Gordon Moore, ότι ο αριθμός των τρανζίστορ στα μικροτσίπ θα διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια - θα μπορούσε να φτάσει στο τέλος του, λέει ο del Alamo.

Για να διατηρήσουν ζωντανό τον Νόμο του Μουρ, οι ερευνητές διερευνούν εδώ και καιρό εναλλακτικές λύσεις αντί του πυριτίου, οι οποίες θα μπορούσαν ενδεχομένως να παράγουν μεγαλύτερο ρεύμα ακόμη και όταν λειτουργούν σε αυτές τις μικρότερες κλίμακες. Ένα τέτοιο υλικό είναι η ένωση αρσενικού ινδίου-γαλλίου, η οποία χρησιμοποιείται ήδη στις τεχνολογίες οπτικών ινών και ραντάρ και είναι γνωστό ότι έχει εξαιρετικά καλές ηλεκτρικές ιδιότητες, λέει ο del Alamo. Ωστόσο, παρά τις πρόσφατες εξελίξεις στην επεξεργασία του υλικού ώστε να μπορεί να διαμορφωθεί σε τρανζίστορ με παρόμοιο τρόπο με το πυρίτιο, κανείς δεν έχει ακόμη καταφέρει να παράγει συσκευές αρκετά μικρές ώστε να συσκευάζονται σε όλο και μεγαλύτερους αριθμούς στα μικροτσίπ του αύριο.

Τώρα, οι del Alamo, Antoniadis και Lin έδειξαν ότι είναι δυνατή η κατασκευή ενός τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος ημιαγωγού μεταλλικού οξειδίου (MOSFET) μεγέθους νανομέτρου - ο τύπος που χρησιμοποιείται πιο συχνά σε λογικές εφαρμογές όπως οι μικροεπεξεργαστές - χρησιμοποιώντας το υλικό. «Έχουμε δείξει ότι μπορείτε να κατασκευάσετε εξαιρετικά μικρά MOSFET αρσενιδίου ινδίου-γαλλίου με εξαιρετικά λογικά χαρακτηριστικά, κάτι που υπόσχεται να οδηγήσει τον νόμο του Moore πέρα ​​από την εμβέλεια του πυριτίου», λέει ο del Alamo.

Τα τρανζίστορ αποτελούνται από τρία ηλεκτρόδια: την πύλη, την πηγή και την αποστράγγιση, με την πύλη να ελέγχει τη ροή ηλεκτρονίων μεταξύ των άλλων δύο. Δεδομένου ότι ο χώρος σε αυτά τα μικροσκοπικά τρανζίστορ είναι τόσο περιορισμένος, τα τρία ηλεκτρόδια πρέπει να τοποθετηθούν σε εξαιρετικά κοντινή απόσταση μεταξύ τους, ένα επίπεδο ακρίβειας που θα ήταν αδύνατο να επιτευχθεί ακόμη και από εξελιγμένα εργαλεία. Αντ' αυτού, η ομάδα επιτρέπει στην πύλη να «αυτοευθυγραμμίζεται» μεταξύ των άλλων δύο ηλεκτροδίων.

Οι ερευνητές αρχικά αναπτύσσουν ένα λεπτό στρώμα του υλικού χρησιμοποιώντας μοριακή επιταξία δέσμης, μια διαδικασία που χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία ημιαγωγών, κατά την οποία εξατμισμένα άτομα ινδίου, γαλλίου και αρσενικού αντιδρούν μεταξύ τους εντός κενού για να σχηματίσουν μια μονοκρυσταλλική ένωση. Στη συνέχεια, η ομάδα εναποθέτει ένα στρώμα μολυβδαινίου ως μέταλλο επαφής πηγής και αποστράγγισης. Στη συνέχεια, «σχεδιάζουν» ένα εξαιρετικά λεπτό μοτίβο σε αυτό το υπόστρωμα χρησιμοποιώντας μια εστιασμένη δέσμη ηλεκτρονίων - μια άλλη καθιερωμένη τεχνική κατασκευής γνωστή ως λιθογραφία δέσμης ηλεκτρονίων.

Οι ανεπιθύμητες περιοχές υλικού στη συνέχεια χαράσσονται και το οξείδιο της πύλης εναποτίθεται στο μικροσκοπικό κενό. Τέλος, το εξατμισμένο μολυβδαίνιο εκτοξεύεται στην επιφάνεια, όπου σχηματίζει την πύλη, σφιχτά συμπιεσμένη ανάμεσα στα δύο άλλα ηλεκτρόδια, λέει ο del Alamo. «Μέσω ενός συνδυασμού χάραξης και εναπόθεσης μπορούμε να πετύχουμε την πύλη να φωλιάζει [ανάμεσα στα ηλεκτρόδια] με μικροσκοπικά κενά γύρω της», λέει.

Παρόλο που πολλές από τις τεχνικές που εφαρμόζει η ομάδα χρησιμοποιούνται ήδη στην κατασκευή πυριτίου, σπάνια έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή σύνθετων ημιαγωγικών τρανζίστορ. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο γεγονός ότι σε εφαρμογές όπως η επικοινωνία μέσω οπτικών ινών, ο χώρος δεν αποτελεί τόσο σημαντικό ζήτημα. «Αλλά όταν μιλάμε για την ενσωμάτωση δισεκατομμυρίων μικροσκοπικών τρανζίστορ σε ένα τσιπ, τότε πρέπει να αναδιατυπώσουμε πλήρως την τεχνολογία κατασκευής των σύνθετων ημιαγωγικών τρανζίστορ ώστε να μοιάζει πολύ περισσότερο με αυτή των τρανζίστορ πυριτίου», λέει ο del Alamo.

Το επόμενο βήμα τους θα είναι να εργαστούν για την περαιτέρω βελτίωση της ηλεκτρικής απόδοσης - και επομένως της ταχύτητας - του τρανζίστορ, εξαλείφοντας την ανεπιθύμητη αντίσταση εντός της συσκευής. Μόλις το επιτύχουν αυτό, θα επιχειρήσουν να συρρικνώσουν περαιτέρω τη συσκευή, με απώτερο στόχο τη μείωση του μεγέθους του τρανζίστορ τους σε μήκος πύλης κάτω από 10 nm.

Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από την DARPA και την Semiconductor Research Corporation.