211service.com
Voorbij Silicium
Vorige week, op het halfjaarlijkse Intel Developer Forum in San Francisco, kondigde chipmaker Intel een transistor aan gemaakt van een materiaal genaamd indium antimonide (InSb) dat een aantal indrukwekkende statistieken had: het was geklokt met 1,5 keer de snelheid van op silicium gebaseerde transistors en gebruikte een tiende van het vermogen.
Volgens Paolo Gargini, directeur technologiestrategie van Intel, die de resultaten presenteerde, kan een verschuiving van silicium cruciaal zijn voor de chipindustrie, zodat het de komende decennia kleinere apparaten kan bouwen. Naarmate transistors van silicium steeds kleiner worden, worden de beperkingen van het materiaal steeds duidelijker. Silicium is niet de beste halfgeleider, zegt Gargini.
Maar silicium is natuurlijk zowel veel voorkomend als relatief goedkoop, en het productieproces is al 30 jaar aangescherpt. Wat zogenaamde samengestelde halfgeleiders - die gemaakt zijn van meer dan één element, zoals indiumantimonide - zo aantrekkelijk maakt, zijn hun speciale elektrische en optische eigenschappen.
Elektronen kunnen 50 keer sneller door een indiumantimonidekristal gaan dan door een siliciumkristal, zegt Gargini. Als gevolg hiervan zijn elektronische bewerkingen niet alleen aanzienlijk sneller, maar is er ook minder stroom nodig om de elektronen te duwen.
Samengestelde halfgeleiders hebben ook optische eigenschappen die de communicatie tussen transistors op een chip en meerdere chips in een apparaat kunnen helpen versnellen. Deze materialen zenden en detecteren gemakkelijk licht - een eigenschap die decennialang is bestudeerd en verbeterd, zegt David Hodges , elektrotechnisch ingenieur aan de Universiteit van Californië, Berkeley. Daarom, zegt hij, kunnen lichtzenders en detectoren gemaakt van samengestelde materialen mogelijk koperdraden vervangen, wat een grote belemmering voor de snelheid is.
Samengestelde materialen hebben echter ook hun nadelen. Momenteel worden er honderden miljarden transistors tegelijk vervaardigd bovenop siliciumwafels die een diameter van wel 30 cm kunnen hebben. De kristallen van samengestelde materialen, zoals indiumantimonide (InSb), galliumarsenide (GaAs), indiumarsenide (InAs) en indiumgalliumarsenide (InGaAs), hebben echter de neiging om gemakkelijk uiteen te vallen en kunnen daarom niet worden verwerkt tot zulke grote wafels, zegt Gargini. Dit betekent dat samengestelde materialen silicium nooit volledig kunnen vervangen als basis voor elektrische apparaten, zegt hij.
In plaats daarvan moeten eilanden van InSb-transistors worden afgezet op het siliciumsubstraat met grote diameter. Maar het afzetten van indium-antimonidetransistoren op silicium zorgt voor een extra uitdaging. De atomen in een siliciumkristal zijn 0,543 nanometer van elkaar verwijderd, terwijl de atomen in indiumantimonide 0,648 nanometer van elkaar verwijderd zijn. Vanwege deze mismatch, wanneer de twee materialen naast elkaar worden geplaatst, hechten niet alle atomen aan het grensvlak aan elkaar, wat resulteert in ineffectieve apparaten.
De manier om dit te verhelpen, legt Gargini uit, is door dunne lagen buffermateriaal op het silicium toe te voegen met een atoomafstand die vergelijkbaar is met die van silicium, en dan geleidelijk de chemische samenstelling van de bufferlagen aan te passen, totdat ze een atoomafstand hebben die vergelijkbaar is met die van indium. antimonide. Het vinden van de ideale chemische verhoudingen om de beste bufferlagen te bieden, zal een van de grootste uitdagingen zijn bij de integratie van indiumantimonide op Intel's bestaande siliciumplatform, zegt hij.
Naast het vinden van de beste buffer voor de InSb-eilanden op de siliciumwafer, volgens Jezus del Alamo , een elektrotechnisch ingenieur bij MIT die gespecialiseerd is in micro-elektronica, moeten ingenieurs ook rekening houden met de isolerende laag, het poortdiëlektricum, bovenop de transistor, wat cruciaal is voor de elektrische werking van het apparaat. Momenteel gebruiken siliciumtransistors een laag siliciumdioxide als poortdiëlektricum. Voor samengestelde halfgeleiders werkt siliciumdioxide echter niet als isolatiemateriaal, zegt del Alamo. De kwaliteit van de interface tussen samengestelde halfgeleiders en siliciumdioxide is niet goed genoeg en de diëlektrische constante van siliciumdioxide is te klein. Daarom zal een geheel nieuwe klasse van hoogwaardige gate-diëlektrica moeten worden ontwikkeld. Dat wordt een enorme uitdaging, zegt hij.
Del Alamo gelooft echter nog steeds dat dergelijke hindernissen zullen worden overwonnen naarmate het veld volwassener wordt. Ik ben erg optimistisch dat we met deze doorbraken zullen komen, zegt hij.
Intel's Gargini verwacht dat de technologie, waar Intel ongeveer drie jaar geleden onderzoek naar begon te doen, over ongeveer tien jaar in de richting van productie zal gaan. Hij benadrukt ook dat samengestelde halfgeleiders slechts een van de vele mogelijkheden zijn voor toekomstige microprocessors. Intel heeft zelfs veel ideeën in de maak, van extreem-ultraviolette lithografie, om siliciumtransistors kleiner te maken, tot het ontwikkelen van siliciumlasers, modulatoren en detectoren, waarbij lichtbundels in plaats van koperdraden kunnen worden gebruikt om gegevens binnen een chip te verzenden (zie Intel's doorbraak ). Verwacht morgen geen [samengestelde halfgeleiders] in een product, zegt Gargini. Maar het zit in de pijplijn.
Homepage-afbeelding met dank aan Jesus del Alamo, elektrotechnisch ingenieur, afdeling elektrotechniek en informatica, MIT. Bijschrift: Chip met transistors en teststructuren gemaakt van de samengestelde halfgeleider indium galliumarsenide (InGaAs). Chip wordt gebruikt om de werking van het apparaat te diagnosticeren.