Az apró összetett félvezető tranzisztorok megkérdőjelezhetik a szilícium dominanciáját
Az apró összetett félvezető tranzisztorok megkérdőjelezhetik a szilícium dominanciáját
Cikktípus: Iparági hírek Feladó: Microelectronics International, 30. kötet, 2. szám
Az MIT kutatói kifejlesztették a valaha épített legkisebb indium-gallium-arzenid tranzisztort
A szilícium koronája veszélyben van: a félvezetők napjai a számítógépek és okoseszközök mikrochipeinek királyaként megszámlálhatók, köszönhetően a valaha volt legkisebb tranzisztor kifejlesztésének, amelyet rivális anyagból, az indium-gallium-arzenidből építettek.
Az összetett tranzisztor, amelyet az MIT Microsystems Technology Laboratories csapata épített, jól teljesít annak ellenére, hogy mindössze 22 nm (a méter milliárd része) hosszú. Ez ígéretes jelöltté teszi a szilícium kiváltására a számítástechnikai eszközökben – mondja Jesús del Alamo társfejlesztő, a MIT Villamosmérnöki és Számítástechnikai Tanszékének (EECS) Donner professzora, aki a tranzisztort Jianqian Lin EECS végzős hallgatóval építette meg. és Dimitri Antoniadis, a Ray and Maria Stata elektromérnöki professzor.
Hogy lépést tartsunk az egyre gyorsabb és intelligensebb számítástechnikai eszközök iránti keresletünkkel, a tranzisztorok mérete folyamatosan csökken, ami lehetővé teszi, hogy egyre több darab kerüljön mikrochipekre. „Minél több tranzisztort lehet egy chipre csomagolni, annál erősebb lesz a chip, és annál több funkciót fog ellátni” – mondja del Alamo.
De ahogy a szilícium tranzisztorok nanométeres skálára redukálódnak, az eszközök által termelhető áram mennyisége is csökken, ami korlátozza működési sebességüket. Ez ahhoz vezetett, hogy a Moore-törvény – az Intel alapítója, Gordon Moore jóslata, miszerint a mikrochipeken lévő tranzisztorok száma kétévente megduplázódik – hamarosan véget ér, mondja del Alamo.
A Moore-törvény életben tartása érdekében a kutatók egy ideje a szilícium alternatíváit kutatják, amelyek potenciálisan nagyobb áramot termelhetnek még akkor is, ha ilyen kisebb léptékben működnek. Az egyik ilyen anyag az indium-gallium-arzenid vegyület, amelyet már használnak a száloptikai kommunikációs és radartechnológiákban, és rendkívül jó elektromos tulajdonságairól ismert, mondja del Alamo. De annak ellenére, hogy az anyag kezelése terén a közelmúltban elért eredményeket a szilíciumhoz hasonló tranzisztorokká alakították, még senki sem tudott elég kicsi eszközöket előállítani ahhoz, hogy egyre nagyobb mennyiségben kerüljön bele a holnapi mikrochipekbe.
Most del Alamo, Antoniadis és Lin megmutatták, hogy lehetséges nanométer méretű fém-oxid félvezető térhatású tranzisztor (MOSFET) – a logikai alkalmazásokban, például mikroprocesszorokban leggyakrabban használt típus – megépítése az anyag felhasználásával. „Megmutattuk, hogy rendkívül kicsi indium-gallium-arzenid MOSFET-eket lehet készíteni kiváló logikai jellemzőkkel, ami azt ígéri, hogy a Moore-törvény túlmutat a szilícium hatókörén” – mondja del Alamo.
A tranzisztorok három elektródából állnak: a kapuból, a forrásból és a lefolyóból, a kapu pedig szabályozza az elektronok áramlását a másik kettő között. Mivel ezekben az apró tranzisztorokban nagyon szűk a hely, a három elektródát rendkívül közel kell egymáshoz elhelyezni, olyan pontossággal, amelyet még kifinomult eszközökkel sem lehet elérni. Ehelyett a csapat megengedi, hogy a kapu „önigazítsa” magát a másik két elektróda között.
A kutatók először egy vékony réteget növesztenek az anyagból a félvezetőiparban széles körben alkalmazott molekuláris nyaláb epitaxia segítségével, amelyben az indium, gallium és arzén elpárolgott atomjai vákuumban reagálnak egymással, és egykristályos vegyületet képeznek. A csapat ezután egy réteg molibdént rak le a forrás és a lefolyó érintkező fémként. Ezután egy rendkívül finom mintát „rajzolnak” erre a hordozóra fókuszált elektronsugár segítségével – ez egy másik jól bevált gyártási technika, amely elektronsugaras litográfia néven ismert.
Ezután az anyag nem kívánt területeit lemarják, és a kapu-oxidot lerakják az apró résre. Végül az elpárolgott molibdént a felületre égetik, ahol ez képezi a kaput, szorosan a két másik elektróda közé szorítva, mondja del Alamo. „A maratás és a lerakás kombinációjával beágyazhatjuk a kaput [az elektródák közé], körülötte apró rések” – mondja.
Bár a csapat által alkalmazott technikák közül sokat már alkalmaznak a szilíciumgyártásban, csak ritkán alkalmazták összetett félvezető tranzisztorok előállítására. Ennek részben az az oka, hogy az olyan alkalmazásokban, mint az üvegszálas kommunikáció, a hely kevésbé jelent problémát. „De amikor apró tranzisztorok milliárdjainak egy chipbe történő integrálásáról beszélünk, akkor teljesen újra kell fogalmaznunk az összetett félvezető tranzisztorok gyártási technológiáját, hogy sokkal jobban hasonlítsanak a szilícium tranzisztorokéhoz” – mondja del Alamo.
Következő lépésük az lesz, hogy tovább javítsák a tranzisztor elektromos teljesítményét – és így a sebességét – az eszköz nem kívánt ellenállásának megszüntetésével. Miután ezt elérték, megpróbálják tovább zsugorítani az eszközt, azzal a végső céllal, hogy tranzisztoruk méretét 10 nm alá csökkentsék a kapuhosszban.
A kutatást a DARPA és a Semiconductor Research Corporation finanszírozta.
