211service.com
Silicon's Long Good-bye
Någon gång under de kommande decennierna kommer chiptillverkare inte längre att kunna göra kiselchips snabbare genom att packa mindre transistorer på ett chip. Det beror på att kiseltransistorer helt enkelt blir för läckande och dyra för att göra dem mindre.
Nanoband: Remsor av indiumarsenid har etsat kemiskt så att de släpper från ytan under. De kan sedan överföras till kiselskivor för att göra snabba, lågeffekttransistorer.
Människor som arbetar med material som kan bli framgångsrika kisel måste övervinna många utmaningar. Nu har forskare vid University of California, Berkeley, hittat en väg förbi ett sådant hinder: de har utvecklat ett tillförlitligt sätt att göra snabba, lågeffekts nanoskopiska transistorer av ett sammansatt halvledarmaterial. Deras metod är enklare och lovar att bli billigare än befintliga.
Sammansatta halvledare har bättre elektriska egenskaper än kisel, vilket innebär att transistorer gjorda av dem kräver mindre effekt för att fungera vid högre hastigheter. Dessa material finns redan i en del dyra nischapplikationer som militär telekommunikationsutrustning, vilket ger dem ett försprång över mer exotiska potentiella kiselersättningar som grafen och kolnanorör.
Men wafers av sammansatta halvledarmaterial är också mycket ömtåliga och dyra, vilket bara är okej där kostnaden inte spelar någon roll, säger Ali Javey , docent i elektroteknik och datavetenskap vid University of California, Berkeley. Sammansatta halvledare finns på marknaden i dyra kommunikationschips för till exempel militären.
Forskare tror att de kan övervinna denna bräcklighet och kostnad genom att odla sammansatta halvledartransistorer ovanpå en stödjande kiselskiva - ett knep som borde vara kompatibelt med befintlig tillverkningsinfrastruktur.
Sammansatta halvledare kan dock inte odlas på kisel - det finns en oöverensstämmelse mellan de kristallina strukturerna i de två materialen som gör detta svårt att göra bra. Berkeley-gruppen har nu visat att transistorer gjorda av sammansatta halvledare kan odlas på en annan yta och sedan överföras till en kiselskiva. Det är en rimlig väg för att hantera det faktum att sammansatta halvledare är svåra att växa, säger Jesus från Alamo , professor i elektroteknik och datavetenskap vid MIT som inte var involverad i Javeys arbete.
Berkeley-forskarna demonstrerade sin teknik med indiumarsenid. De odlar materialet på toppen av en skiva av galliumantimonid skyddad av ett offertoppskikt av aluminium galliumantimonid. Skivan möjliggör tillväxt av en högkvalitativ, kristallin indium-arsenidfilm, och offerskiktet kan sedan etsas bort kemiskt, vilket frigör nanoskala indium-arsenidremsor. Forskarna plockar upp nanobanden med en gummistämpel och placerar dem ovanpå kiselskivan. Kislet ger strukturellt stöd för indiumarseniden. Den är belagd med kiseldioxid, som kommer att fungera som isolatorn i transistorerna. Transistorerna kompletteras genom att lägga ner metallgrindar för att föra in och ut elektricitet.
Javeys grupp beskriver prestandan hos indium-arsenidtransistorer gjorda på detta sätt i en tidning som publicerades online förra veckan i tidskriften Natur . Transistorerna, som är 500 nanometer långa, presterar lika bra som sammansatta halvledartransistorer tillverkade med mer komplexa tekniker, säger Javey. Och Berkeley-gruppens indium-arsenidtransistorer är mycket snabbare än deras kiselekvivalenter, samtidigt som de kräver mindre effekt - en halv volt jämfört med 3,3 volt. Deras transkonduktans – hur känsliga de är för förändringar i spänningen – är åtta gånger bättre än för en kiseltransistor av denna storlek. Med tanke på hur dessa enheter förbereddes är den här prestandan ganska imponerande, säger MITs elektroteknikprofessor Dmitri Antoniadis .
Javey noterar att processen som krävs för att tillverka indium-arsenidtransistorerna liknar den som används för att tillverka en klass av chips som kallas kisel-på-isolator (SOI) elektronik, som kräver att en skiva kisel placeras på en skiva av ett annat material under tillverkningen. Av den anledningen har han döpt dem till XOI - vad som helst på isolator.
Processen för att tillverka XOI-enheterna i wafer-skala skulle vara mer komplex än SOI eftersom det kan kräva att integrera flera olika typer av material byggda på wafers av olika storlekar, säger Michael Mayberry , chef för komponentforskning på Intel. Det finns många sätt att processen kan gå fel, säger han. Under de senaste tre åren har Intel arbetat med processer för att odla sammansatta halvledare på kiselskivor direkt, genom att odla ett buffertskikt mellan dem. Än så länge måste de använda en väldigt tjock buffert som hämmar transistorernas prestanda, men Mayberry säger att de har bevisat att konceptet kan fungera.
Värdet av Javeys arbete, säger Mayberry, är att det visar att indium-arsenidtransistorerna presterar bra när de krympt ner till nanoskala. Vi vet inte hur dessa enheter kommer att bete sig, säger han. Teoretiker har gjort gissningar, säger han, men på nanoskala kan oväntade kvanteffekter dyka upp.
Javey planerar att göra transistorerna mycket mindre och se om de bibehåller sin prestanda. MIT:s del Alamo och Antoniadis försöker bestämma den ultimata skalningen av sammansatta halvledartransistorer; paret har gjort transistorer som är 30 nanometer långa. Jag skulle vilja se vilken perfektion av material som kan uppnås i liten skala, säger Antoniadis.