211service.com
Bortom Silicon
Förra veckan, vid det halvårsvisa Intel Developer Forum i San Francisco, tillkännagav chiptillverkaren Intel en transistor gjord av ett material som heter indiumantimonid (InSb) som hade imponerande statistik: den klockades till 1,5 gånger hastigheten hos kiselbaserade transistorer och använde en tiondel av kraften.
Enligt Intels chef för teknikstrategi, Paolo Gargini, som presenterade resultaten, kan ett skifte från kisel vara avgörande för chiptillverkningsindustrin, så den kan bygga mindre enheter under de kommande decennierna. När transistorer gjorda av kisel fortsätter att krympa, blir materialets begränsningar mer uppenbara. Kisel är inte den bästa halvledaren, säger Gargini.
Men naturligtvis är kisel både mycket utbrett och relativt billigt, och dess tillverkningsprocess har finslipats i 30 år. Det som gör så kallade sammansatta halvledare – de som är gjorda av mer än ett element, som indiumantimonid – så attraktiva är deras speciella elektriska och optiska egenskaper.
Elektroner kan passera genom en indiumantimonidkristall 50 gånger snabbare än genom en kiselkristall, säger Gargini. Som ett resultat är inte bara elektroniska operationer betydligt snabbare, utan det behövs mindre kraft för att driva elektronerna.
Sammansatta halvledare har också optiska egenskaper som kan hjälpa till att påskynda kommunikationen mellan transistorer på ett chip och flera chips i en enhet. Dessa material avger och upptäcker lätt ljus - en egenskap som har studerats och förbättrats i årtionden, säger David Hodges , elektroingenjör vid University of California, Berkeley. Därför, säger han, kan ljussändare och detektorer gjorda av sammansatta material potentiellt ersätta koppartrådar, som är ett stort hastighetshinder.
Sammansatta material har dock också sina nackdelar. För närvarande tillverkas hundratals miljarder transistorer åt gången ovanpå kiselskivor som kan vara så stora som 12 tum i diameter. Kristallerna av sammansatta material, såsom indiumantimonid (InSb), galliumarsenid (GaAs), indiumarsenid (InAs) och indiumgalliumarsenid (InGaAs), tenderar dock att lätt bryta isär och kan därför inte göras till så stora rån, säger Gargini. Det betyder att sammansatta material aldrig helt skulle kunna ersätta kisel som waferbas för elektriska apparater, säger han.
Istället måste öar av InSb-transistorer avsättas på kiselsubstratet med stor diameter. Men att deponera indiumantimonidtransistorer på kisel skapar en ytterligare utmaning. Atomerna i en kiselkristall är åtskilda 0,543 nanometer från varandra, medan atomerna i indiumantimonid är 0,648 nanometer från varandra. På grund av denna oöverensstämmelse, när de två materialen placeras bredvid varandra, binder inte alla atomerna vid gränsytan samman, vilket resulterar i ineffektiva enheter.
Sättet att övervinna detta, förklarar Gargini, är att lägga till tunna lager av buffertmaterial på kislet som har ett atomavstånd som liknar det, och sedan gradvis justera buffertlagrens kemiska sammansättning, tills de har ett atomavstånd som liknar det för indium. antimonid. Att hitta de idealiska kemiska förhållandena för att tillhandahålla de bästa buffertskikten kommer att vara en av de stora utmaningarna för att integrera indiumantimonid på Intels befintliga kiselplattform, säger han.
Förutom att hitta den bästa bufferten för InSb-öarna på kiselskivan, enligt Jesus del Alamo , en elektroingenjör vid MIT som är specialiserad på mikroelektronik, måste ingenjörer också överväga det isolerande skiktet, gate-dielektriken, ovanpå transistorn, vilket är avgörande för enhetens elektriska verksamhet. För närvarande använder kiseltransistorer ett lager av kiseldioxid som gatedielektrikum. För sammansatta halvledare fungerar dock inte kiseldioxid som ett isolerande material, säger del Alamo. Gränssnittskvaliteten mellan sammansatta halvledare och kiseldioxid är inte tillräckligt bra och dielektricitetskonstanten för kiseldioxid är för liten. Därför kommer en helt ny klass av högkvalitativ grinddielektrik att behöva utvecklas. Det blir en enorm utmaning, säger han.
Del Alamo tror dock fortfarande att sådana hinder kommer att övervinnas när fältet mognar. Jag är väldigt optimistisk att vi kommer att komma med de här genombrotten, säger han.
Intels Gargini förväntar sig att tekniken, som Intel började forska på för cirka tre år sedan, kommer att gå mot tillverkning om ytterligare ett decennium. Han understryker också att sammansatta halvledare bara är en av ett antal möjligheter för framtida mikroprocessorer. Faktum är att Intel har många idéer på gång, från extrem ultraviolett litografi, för att göra kiseltransistorer mindre, till att utveckla kisellasrar, modulatorer och detektorer, där ljusstrålar istället för koppartrådar kan användas för att överföra data i ett chip (se Intels genombrott). Förvänta dig inte [sammansatta halvledare] i en produkt i morgon, säger Gargini. Men det är i pipelinen.
Hemsidans bild med tillstånd av Jesus del Alamo, elektroingenjör, avdelningen för elektroteknik och datavetenskap, MIT. Bildtext: Chip med transistorer och teststrukturer gjorda av den sammansatta halvledaren indiumgalliumarsenid (InGaAs). Chip används för att diagnostisera enhetens funktioner.