211service.com
Silicium's lange vaarwel
Ergens in de komende decennia zullen chipmakers siliciumchips niet langer sneller kunnen maken door kleinere transistors op een chip te verpakken. Dat komt omdat siliciumtransistors gewoon te lek en te duur zijn om kleiner te maken.
Nanolinten: Stroken indiumarsenide zijn chemisch geëtst zodat ze loskomen van het onderliggende oppervlak. Ze kunnen vervolgens worden overgebracht naar siliciumwafels om snelle transistors met een laag vermogen te maken.
Mensen die werken aan materialen die silicium zouden kunnen volgen, moeten veel uitdagingen overwinnen. Nu hebben onderzoekers van de University of California, Berkeley, een manier gevonden om zo'n hindernis te overwinnen: ze hebben een betrouwbare manier ontwikkeld om snelle, energiezuinige, nanoscopische transistors te maken van een samengesteld halfgeleidermateriaal. Hun methode is eenvoudiger en belooft minder duur te zijn dan de bestaande.
Samengestelde halfgeleiders hebben betere elektrische eigenschappen dan silicium, wat betekent dat de daaruit gemaakte transistors minder stroom nodig hebben om met hogere snelheden te werken. Deze materialen zitten al in een aantal dure nichetoepassingen zoals militaire telecommunicatieapparatuur, waardoor ze een voorsprong hebben op meer exotische potentiële siliciumvervangers zoals grafeen en koolstofnanobuizen.
Maar wafels van samengestelde halfgeleidermaterialen zijn ook erg kwetsbaar en duur, wat alleen goed is als de kosten er niet toe doen, zegt Ali Javey , universitair hoofddocent elektrotechniek en computerwetenschappen aan de University of California, Berkeley. Samengestelde halfgeleiders zijn op de markt in dure communicatiechips voor bijvoorbeeld het leger.
Onderzoekers geloven dat ze deze kwetsbaarheid en kosten kunnen overwinnen door samengestelde halfgeleidertransistors te laten groeien op een ondersteunende siliciumwafer - een truc die compatibel zou moeten zijn met de bestaande productie-infrastructuur.
Samengestelde halfgeleiders kunnen echter niet op silicium worden gekweekt - er is een mismatch tussen de kristallijne structuren van de twee materialen waardoor dit moeilijk goed te doen is. De Berkeley-groep heeft nu aangetoond dat transistors gemaakt van samengestelde halfgeleiders op een ander oppervlak kunnen worden gekweekt en vervolgens kunnen worden overgebracht naar een siliciumwafel. Dat is een plausibele manier om het hoofd te bieden aan het feit dat samengestelde halfgeleiders moeilijk te kweken zijn, zegt Jezus van de Alamo , hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen aan het MIT die niet betrokken was bij Javey's werk.
De onderzoekers van Berkeley demonstreerden hun techniek met indiumarsenide. Ze laten het materiaal groeien op een wafel van galliumantimonide, beschermd door een opofferende toplaag van aluminium galliumantimonide. De wafel maakt de groei van een hoogwaardige, kristallijne indium-arsenidefilm mogelijk, en de opofferingslaag kan vervolgens chemisch worden weggeëtst, waardoor indium-arsenidestrips op nanoschaal vrijkomen. De onderzoekers pakken de nanoribbons op met een rubberen stempel en leggen ze op de siliciumwafel. Het silicium biedt structurele ondersteuning voor het indiumarsenide. Het is bedekt met siliciumdioxide, dat zal fungeren als de isolator in de transistors. De transistors worden voltooid door metalen poorten neer te leggen om elektriciteit in en uit te brengen.
Javey's groep beschrijft de prestaties van indium-arsenidetransistoren die op deze manier zijn gemaakt in een paper die vorige week online is gepubliceerd in het tijdschrift Natuur . De transistors, die 500 nanometer lang zijn, presteren even goed als samengestelde halfgeleidertransistors die met complexere technieken zijn gemaakt, zegt Javey. En de indium-arsenidetransistoren van de Berkeley-groep zijn veel sneller dan hun siliciumequivalenten, terwijl ze minder stroom nodig hebben - een halve volt in vergelijking met 3,3 volt. Hun transconductantie - hoe snel ze reageren op spanningsveranderingen - is acht keer beter dan die van een siliciumtransistor van dit formaat. Gezien de manier waarop deze apparaten zijn voorbereid, zijn deze prestaties behoorlijk indrukwekkend, zegt MIT-hoogleraar elektrotechniek Dmitri Antoniadis .
Javey merkt op dat het proces dat nodig is om de indium-arsenide-transistors te maken vergelijkbaar is met het proces dat wordt gebruikt om een klasse chips te maken, silicium-op-isolator (SOI) -elektronica genaamd, waarvoor een plakje silicium op een wafel van een ander materiaal moet worden geplaatst tijdens de fabricage. Om die reden heeft hij ze XOI genoemd - alles over isolator.
Het proces voor het maken van de XOI-apparaten op wafelschaal zou ingewikkelder zijn dan SOI, omdat het mogelijk vereist dat verschillende soorten materialen op wafels van verschillende groottes worden geïntegreerd, zegt Michael Mayberry , directeur componentenonderzoek bij Intel. Er zijn veel manieren waarop dat proces mis kan gaan, zegt hij. De afgelopen drie jaar heeft Intel gewerkt aan processen om samengestelde halfgeleiders rechtstreeks op siliciumwafers te laten groeien, door er een bufferlaag tussen te laten groeien. Tot nu toe moeten ze een zeer dikke buffer gebruiken die de prestaties van de transistors belemmert, maar Mayberry zegt te hebben bewezen dat het concept kan werken.
De waarde van Javey's werk, zegt Mayberry, is dat het aantoont dat de indium-arsenidetransistoren goed presteren wanneer ze worden verkleind tot nanoschaal. We weten niet hoe deze apparaten zich zullen gedragen, zegt hij. Theoretici hebben gissingen gedaan, zegt hij, maar op nanoschaal kunnen onverwachte kwantumeffecten opduiken.
Javey is van plan de transistors veel kleiner te maken en te kijken of ze hun prestaties behouden. MIT's del Alamo en Antoniadis proberen de ultieme schaling van samengestelde halfgeleidertransistors te bepalen; het paar heeft transistors gemaakt die 30 nanometer lang zijn. Ik zou graag willen zien welke perfectie van materialen op kleine schaal kan worden bereikt, zegt Antoniadis.