211service.com
Silicons lange farvel
Engang i de kommende årtier vil chipproducenter ikke længere være i stand til at lave siliciumchips hurtigere ved at pakke mindre transistorer på en chip. Det er fordi siliciumtransistorer simpelthen vil være for utætte og dyre til at gøre dem mindre.
Nanobånd: Strimler af indiumarsenid er blevet kemisk ætset, så de frigøres fra overfladen nedenunder. De kan derefter overføres til siliciumwafers for at lave hurtige laveffekttransistorer.
Mennesker, der arbejder på materialer, der kan efterfølge silicium, skal overvinde mange udfordringer. Nu har forskere ved University of California, Berkeley, fundet en vej forbi en sådan forhindring: de har udviklet en pålidelig måde at lave hurtige, laveffekts, nanoskopiske transistorer ud af et sammensat halvledermateriale. Deres metode er enklere og lover at være billigere end eksisterende.
Sammensatte halvledere har bedre elektriske egenskaber end silicium, hvilket betyder, at transistorer fremstillet af dem kræver mindre strøm for at fungere ved højere hastigheder. Disse materialer er allerede i nogle dyre nicheapplikationer såsom militært telekommunikationsudstyr, hvilket giver dem et ben i forhold til mere eksotiske potentielle siliciumerstatninger som grafen og kulstofnanorør.
Men wafers af sammensatte halvledermaterialer er også meget skrøbelige og dyre, hvilket kun er okay, hvor omkostningerne ikke betyder noget, siger Ali Javey , lektor i elektroteknik og computervidenskab ved University of California, Berkeley. Sammensatte halvledere er på markedet i dyre kommunikationschips til f.eks. militæret.
Forskere mener, at de kan overvinde denne skrøbelighed og omkostninger ved at dyrke sammensatte halvledertransistorer oven på en understøttende siliciumwafer - et trick, der burde være kompatibelt med eksisterende produktionsinfrastruktur.
Sammensatte halvledere kan dog ikke dyrkes på silicium - der er et misforhold mellem de krystallinske strukturer af de to materialer, der gør det vanskeligt at gøre det godt. Berkeley-gruppen har nu vist, at transistorer lavet af sammensatte halvledere kan dyrkes på en anden overflade og derefter overføres til en siliciumwafer. Det er en plausibel vej til at håndtere det faktum, at sammensatte halvledere er svære at dyrke, siger Jesus fra Alamo , professor i elektroteknik og datalogi ved MIT, der ikke var involveret i Javeys arbejde.
Berkeley-forskerne demonstrerede deres teknik ved at bruge indiumarsenid. De dyrker materialet oven på en wafer af galliumantimonid, der er beskyttet af et offer-toplag af aluminium galliumantimonid. Waferen muliggør væksten af en højkvalitets, krystallinsk indium-arsenidfilm, og offerlaget kan derefter ætses kemisk væk, hvilket frigiver nanoskala indium-arsenid-strimler. Forskerne tager nanobåndene op med et gummistempel og placerer dem oven på siliciumwaferen. Siliciumet giver strukturel støtte til indiumarsenidet. Den er belagt med siliciumdioxid, som vil fungere som isolatoren i transistorerne. Transistorerne fuldendes ved at nedlægge metalporte for at bringe elektricitet ind og ud.
Javeys gruppe beskriver ydeevnen af indium-arsenid-transistorer fremstillet på denne måde i et papir offentliggjort online i sidste uge i tidsskriftet Natur . Transistorerne, som er 500 nanometer lange, fungerer lige så godt som sammensatte halvledertransistorer lavet ved hjælp af mere komplekse teknikker, siger Javey. Og Berkeley-gruppens indium-arsenid-transistorer er meget hurtigere end deres siliciumækvivalenter, mens de kræver mindre strøm - en halv volt sammenlignet med 3,3 volt. Deres transkonduktans - hvor lydhøre de er over for ændringer i spænding - er otte gange bedre end for en siliciumtransistor af denne størrelse. I betragtning af, hvordan disse enheder blev forberedt, er denne ydeevne ganske imponerende, siger MIT elektroingeniørprofessor Dmitri Antoniadis .
Javey bemærker, at den proces, der kræves for at fremstille indium-arsenid-transistorerne, ligner den, der bruges til at fremstille en klasse af chips kaldet silicium-på-isolator (SOI) elektronik, som kræver, at en skive silicium skal placeres på en wafer af et andet materiale. under fremstillingen. Af den grund har han kaldt dem XOI - hvad som helst på isolator.
Processen til fremstilling af XOI-enhederne i wafer-skala ville være mere kompleks end SOI, fordi det kan kræve at integrere flere forskellige typer materialer bygget på wafers af forskellige størrelser, siger Michael Mayberry , direktør for komponentforskning hos Intel. Der er mange måder, den proces kan gå galt på, siger han. I de sidste tre år har Intel arbejdet på processer til at dyrke sammensatte halvledere direkte på siliciumwafers ved at dyrke et bufferlag imellem dem. Indtil videre skal de bruge en meget tyk buffer, der hæmmer transistorernes ydeevne, men Mayberry siger, at de har bevist, at konceptet kan fungere.
Værdien af Javeys arbejde, siger Mayberry, er, at det viser, at indium-arsenid-transistorerne klarer sig godt, når de er krympet ned til nanoskalaen. Vi ved ikke, hvordan disse enheder vil opføre sig, siger han. Teoretikere har gættet, siger han, men på nanoskalaen kan uventede kvanteeffekter dukke op.
Javey planlægger at gøre transistorerne meget mindre og se, om de bevarer deres ydeevne. MITs del Alamo og Antoniadis forsøger at bestemme den ultimative skalering af sammensatte halvledertransistorer; parret har lavet transistorer, der er 30 nanometer lange. Jeg vil gerne se, hvilken perfektion af materialer, der kan opnås i lille skala, siger Antoniadis.