211service.com
Ud over silicium
I sidste uge, på det halvårlige Intel Developer Forum i San Francisco, annoncerede chipproducenten Intel en transistor lavet af et materiale kaldet indium antimonide (InSb), som havde nogle imponerende statistikker: den blev klokket til 1,5 gange hastigheden af siliciumbaserede transistorer og brugte en tiendedel af kraften.
Ifølge Intels direktør for teknologistrategi, Paolo Gargini, som præsenterede resultaterne, kan et skift fra silicium være afgørende for chipfremstillingsindustrien, så den kan bygge mindre enheder i løbet af de næste par årtier. Efterhånden som transistorer lavet af silicium bliver ved med at krympe, bliver materialets begrænsninger mere tydelige. Silicium er ikke den bedste halvleder, siger Gargini.
Men selvfølgelig er silicium både meget udbredt og relativt billigt, og dets fremstillingsproces er blevet finpudset i 30 år. Det, der gør såkaldte sammensatte halvledere - dem, der er lavet af mere end ét grundstof, såsom indiumantimonid - så attraktive er deres specielle elektriske og optiske egenskaber.
Elektroner kan passere gennem en indium-antimonidkrystal 50 gange hurtigere end gennem en siliciumkrystal, siger Gargini. Som følge heraf er elektroniske operationer ikke kun betydeligt hurtigere, men mindre strøm er nødvendig for at skubbe elektronerne.
Sammensatte halvledere har også optiske egenskaber, der kan hjælpe med at fremskynde kommunikationen mellem transistorer på en chip og flere chips i en enhed. Disse materialer udsender og registrerer let lys - en egenskab, der er blevet undersøgt og forbedret i årtier, siger David Hodges , elektroingeniør ved University of California, Berkeley. Derfor, siger han, kan lysgivere og detektorer lavet af sammensatte materialer potentielt erstatte kobbertråde, som er en væsentlig hæmsko for hastigheden.
Sammensatte materialer har dog også deres ulemper. I øjeblikket fremstilles hundredvis af milliarder af transistorer ad gangen oven på siliciumwafers, der kan være så store som 12 tommer i diameter. Krystallerne af sammensatte materialer, såsom indiumantimonid (InSb), galliumarsenid (GaAs), indiumarsenid (InAs) og indiumgalliumarsenid (InGaAs), har dog en tendens til let at gå i stykker og kan derfor ikke laves om til så store oblater, siger Gargini. Det betyder, at sammensatte materialer aldrig helt kunne erstatte silicium som waferbase for elektriske enheder, siger han.
I stedet skal øer af InSb-transistorer aflejres på siliciumsubstratet med stor diameter. Men at deponere indiumantimonid-transistorer på silicium skaber en yderligere udfordring. Atomerne i en siliciumkrystal er placeret 0,543 nanometer fra hinanden, mens atomerne i indiumantimonid er 0,648 nanometer fra hinanden. På grund af denne uoverensstemmelse, når de to materialer er placeret ved siden af hinanden, binder ikke alle atomerne ved grænsefladen sammen, hvilket resulterer i ineffektive enheder.
Vejen til at overvinde dette, forklarer Gargini, er at tilføje tynde lag af buffermaterialer på siliciumet, der har en atomafstand svarende til det, og derefter gradvist justere den kemiske sammensætning af bufferlagene, indtil de har atomafstand svarende til indiums. antimonid. At finde de ideelle kemiske forhold til at give de bedste bufferlag vil være en af de store udfordringer ved at integrere indiumantimonid på Intels eksisterende siliciumplatform, siger han.
Udover at finde den bedste buffer til InSb-øerne på siliciumwaferen, iflg Jesus del Alamo , en elektrisk ingeniør ved MIT, der har specialiseret sig i mikroelektronik, skal ingeniører også overveje det isolerende lag, gate-dielektrikken, oven på transistoren, hvilket er afgørende for enhedens elektriske operationer. I øjeblikket bruger siliciumtransistorer et lag siliciumdioxid som gate-dielektrikum. For sammensatte halvledere fungerer siliciumdioxid dog ikke som et isolerende materiale, siger del Alamo. Grænsefladekvaliteten mellem sammensatte halvledere og siliciumdioxid er ikke god nok, og dielektricitetskonstanten for siliciumdioxid er for lille. Derfor skal der udvikles en helt ny klasse af højkvalitets gate-dielektrik. Det bliver en kæmpe udfordring, siger han.
Del Alamo tror dog stadig på, at sådanne forhindringer vil blive overvundet, når feltet modnes. Jeg er meget optimistisk om, at vi kommer med disse gennembrud, siger han.
Intels Gargini forventer, at teknologien, som Intel begyndte at forske i for omkring tre år siden, vil bevæge sig i retning af fremstilling om omkring endnu et årti. Han understreger også, at sammensatte halvledere kun er én af en række muligheder for fremtidige mikroprocessorer. Faktisk har Intel mange ideer på vej, fra ekstrem ultraviolet litografi, til at gøre siliciumtransistorer mindre, til at udvikle siliciumlasere, modulatorer og detektorer, hvor lysstråler i stedet for kobbertråde kan bruges til at transmittere data i en chip (se Intels gennembrud). Forvent ikke [sammensatte halvledere] i et produkt i morgen, siger Gargini. Men det er i pipelinen.
Hjemmesidebillede udlånt af Jesus del Alamo, elektroingeniør, afdeling for elektroteknik og datalogi, MIT. Billedtekst: Chip med transistorer og teststrukturer lavet af den sammensatte halvleder indium galliumarsenid (InGaAs). Chip bruges til at diagnosticere enhedens operationer.