Veijo Hänninen
Kaiken maailman transistoreita
Tietotekniikan mikropiirien suorituskyvyn kasvun pitämiseksi Mooren lain vauhdissa teettää alan tutkijoilla paljon työtä. Jos vauhti pysyisi ennallaan, on ennustettu, että transistorit saavuttavat yhden atomin tason vuonna 2020.
Perinteisessä tasomaisessa transistorirakenteessa on koon pienentyessä yhä vaikeampaa hallita vuotovirtoja. Alustamateriaalista ylös nousevalla kolmiulotteisella kanavarakenteella tämä onnistuu paremmin ja ratkaisulla saavutetaan myös parempi ohjattavuus.
Tämä on jo kaupallista tekniikkaa ja esimerkiksi Intel esitteli Huhtikuussa 2012 alan ensimmäiset 22 nanometriset kolmepintaisten porttien (Tri-Gate) transistoreilla toteutetut Core-prosessorit.
Vaihtoehtona germanium
Ensimmäisistä transistoreista tuttu germanium on myös jo otettu kaupalliseen käyttöön mikropiirien vauhdittajana piitä venyttävänä osana.
Germaniumilla aukkojen liikkuvuus on jo luonnostaan noin nelinkertainen piihin verrattuna. Sitä edelleen puristamalla esimerkiksi GNC:n tutkijat ovat onnistuneen parantamaan vauhdin piihin nähden kahdeksankertaiseksi.
GNC on japanilainen yliopistojen ja alan teollisuuden tutkijoiden yhteinen nanoelektroniikan tutkimuskeskus (Collaborative Research Team Green Nanoelectronics Center).
GNC:n transistorissa on muodin mukainen kolmiulotteinen porttiohjaustekniikka ja sen germanium-nanolanka kanavassa on vahva 3,8 prosenttinen puristusjännitys. Lisäksi se on toteutettu ilman lähde-nielu-alueen seostusta, mikä minimoi ominaisuuksien vaihteluja ja sen odotetaan alentavan myös tehonkulutusta merkittävästi.
Kun porttiliitännät on toteutettu metallimaisilla GeNi-seoksilla, pystyttiin Schottky-kontaktin resistanssia vähentämään niin paljon, että tälle transistorille saavutettiin myös ennätysmäisen korkea kyllästymisvirta.
Viime vuoden lopun IEEE:n International Electron Devices Meeting (IEDM) –tapaamisessa MIT:n Microsystems Technology Laboratories (MTL) esitteli p-tyypin transistoria, jolle oli saavutettu korkein milloinkaan mitattu varauksenkantajien liikkuvuus.
Tämäkin transistori oli valmistettu vahvasti puristusjännitetystä germaniumista ja siitä voitaisiin valmistaa myös kolmisivuisen portin rakennetyyppi.
Eksoottisempia vaihtoehtoja
Seuraavaksi yritetään kai ympäripyöreän porttivaipan versiota sillä IEDM-konferenssissa sveitsiläinen EPFL esitteli kehittämäänsä ympäripyöreätä fet-portin versiota, johon oli lisäksi järjestetty transistorin n- tai p-tyyppiseksi vaihtavat portit.
Porttiohjaimet ympäröivät kokonaan kanavana käytetyt piinanolangat, jotka on pinottu SOI-alustalle. Rakenteella saavutettiin erinomainen on/off-suhde ja tutkijat rakensivat siihen perustuen toimivan loogisen XOR-portin.
Toinen linja pitää Mooren laki vauhdissa on etsiä vaihtoehtoja piille. Eräs tutkimuslinja on indium galliumarsenidi - yhdiste, jota käytetään muun muassa kuituoptisen viestinnän laitteissa.
Yhdistepuolijohteilla olisi piitransistoreita paremmat sähköiset ominaisuudet mutta ongelmana on ollut, ettei siitä ole pystytty tekemään riittävän pieniä transistoreita pakattavaksi tulevaisuuden mikrosiruihin.
MIT:n MTL-laboratorion tutkijat todistivat viime vuonna, että sellainen kuitenkin olisi mahdollista. He rakensivat mikropiireihin sopivia nanometrikokoisia indiumgalliumarsenidi mosfet-transistoreita, joilla on erinomaiset logiikassa tarvittavat ominaisuudet.
Energiatehokas tunnelointi
Nykyisiä transistorirakenteita edelleen kutistettaessa ongelmaksi nousee myös kasvava lämmöntuotto.
Uusien vähemmän tehoa hukkaavien tekniikoiden käyttöönotossa University of Notre Dame ja Pennsylvania State Universityn tutkijat ovat saavuttaneet myönteisiä tuloksia tunneloivan kenttävaikutustransistorin (TFET) suhteen.
Tähän päästään hyödyntämällä elektronien kykyä tunneloitua kiintoaineiden läpi ja tällaista tekniikkaa käytetään haihtumattomissa flash-muisteissa.
Perinteisessä mosfetissa kanava kytkeytyy päälle vähitellen ja toimii niin kauan kuin käyttöjännite ei pienene liiaksi. Tunnelifetissä kanava kytketään injektoimalla kantajia porttiohjatun tunneliliitoksen kautta ja se aiheuttaa välittömän päällekytkeytymisen ja mahdollistaa myös käyttöjännitteen pienentämisen jota kautta voidaan sitten saavuttaa tehonsäästöä.
Suurin este tunnelifettien käyttöönotossa ovat olleet liian pienet ohjausvirrat, mikä on johtunut tunnelointinopeuden rajoituksista nykyisin tunnetuissa puolijohteissa. Uusimmat saavutukset perustuvat oikeiden materiaalien löytämiseen.
Atomitransistori toimii niin kuin pitääkin
Helmikuussa 2012 UNSW:n (University of New South Wales, Sydney) fyysikot kertoivat rakentaneensa yhteen atomiin perustuvan transistorin, joka toimii niin kuin on suunniteltukin.
Yleensä yhden atomin transistorit ovat toteutuneet vain sattumalta, kun tutkijat ovat etsineet niitä useiden piirien joukosta tai viritelleet useiden atomien piirejä toimimaan.
UNSW:n elektroniikkapiiri käyttää piin sisään mestaroitujen atomiluokan elektrodien ja sähköstaattisen ohjausportin väliin sijoitettua yhtä fosforiatomia aktiivisena komponenttina. Piiri on merkittävä myös siinä suhteessa, että sen sähköiset ominaisuudet täsmäävät hyvin teoreettisten ennusteiden kanssa.
Tutkimuksissaan tutkijat ovat myös osoittaneet halkaisijaltaan muutamien atomien kokoisten johtimien noudattavan ohmin lakia. Tähän asti on pelätty, että kvantti-ilmiöt estävät näin pienten johtimien käytön. Toiminta testattiin heliumin tuottamassa kylmyydessä.
Grafeenielektroniikka vaihtaa ulottuvuutta
Grafeeni on vielä uudempi ihmemateriaali ja siitä on tehty lukuisia kokeellisia transistoreita mutta niitä ei voi pakata mikrosirulle koska grafeenilla ei ole luonnollista kiellettyä energiarakoa.
Manchesterin tutkijat esittävätkin grafeenin käyttöä pystysuunnassa eikä vaakatasossa kuten aiemmat kokeilut. He käyttävät grafeenia kuin elektrodia, josta elektroneja tunneloituu eristeen läpi toiseen metalliin. Tätä kutsutaan tunnelointidiodiksi.
Grafeenilla on myös sellainen ominaisuus, että ulkoinen jännite voi muuttaa tunneloituvien elektronien energiaa. Tähän perustuen tutkijat kehittivät aivan uudentyyppisen piirikomponentin eli pystyrakenteisen kenttävaikutustunnelointitransistorin.
Uusi transistori koostuu grafeenin kanssa kerrostetusta atomikerroksen paksuisesta boorinitridistä tai molybdeenidisulfidista. Niillä saavutetaan vastaavasti kytkentäsuhteita 50 ja 10 000.
Tutkijat uskovat, että nyt grafeeniperustaisen elektroniikan mahdollisuudet ovat parempia kuin koskaan ennen ja että atomikerroksien kokoonpanon konsepti on todennäköisesti jopa tärkeämpi läpimurto kuin uusi transistori.
Digitaalipiirejä hiilinanoputkilla
Hiilinanoputkien erinomaiset sähköiset ominaisuudet eivät ole oikein realisoituneet käytännön transistoreiksi ja mikropiireiksi.
Hankaluutena on, että täysin yhdenmukaisia nanoputkia on lähes mahdoton valmistaa. Vaihtelut aiheuttavat satunnaisuutta ja metallimaiset hiilinanoputket aiheuttavat oikosulkuja mikä kasvattaa hukkatehoa ja altistaa kohinalle.
Viime vuosina ryhmä Stanfordin yliopiston tutkijoita on lähtenyt kiertämään näitä ongelmia kehittämällä epäkohdille immuunia suunnittelumenetelmää ja he ovat tuottaneetkin digitaalisia logiikkarakenteita, joihin ei vaikuta yksittäinen vinossa tai väärin sijoitettu hiilinanoputki.
Hiilinanoputkien soveltamisen perusvaikeuksista huolimatta IBM:n tutkijat onnistuivat viime vuoden lopulla kokoamaan ennätysmäisesti yli kymmenen tuhatta hiilinanoputkista valmistettua transistoria yhdelle piipohjaiselle sirulle standardin puolijohdeprosessin avulla.
IBM:n ratkaisu perustuu hiilinanoputkitransistorien tuottamiseen ennalta määrättyihin kohtiin alustamateriaalia. Menetelmä perustuu ioninvaihtokemiaan ja se mahdollistaa puolijohtavien hiilinanoputkien eristämisen sekä niiden uittamisen alustalle erittäin tiheästi.
Kehitetty tekniikka voidaan toteuttaa suhteellisen helposti, koska se perustuu yleisiin kemikaaleihin ja nykyiseen puolijohdevalmistuksen tekniikkaan mutta yli miljardin oikein toimivan hiilinanoputkitransistorin tuottaminen sirulle on kyllä haastava tavoite.
Mutkalle taipuvia
Tokion yliopiston ja tiedeyliopiston tutkijat ovat valmistaneet, polymeeri-laminoidun, läpinäkyvän, täysin hiilinanoputkiin perustuvan kenttävaikutustransistorin (CNT-TFT). Sen kaikki kanavat, elektrodit, eristekerrokset ja alusta sisältävät hiiliperustaisia materiaaleja.
Transistorit sietävät taivutussäteeltään yhden millimetrin kaarevuuden.
Aiemmissa taivutusta sietävissä läpinäkyvissä feteissä käytettiin elektrodeina kultaa tai indiumtinaoksidia. Kulta heikentää läpinäkyvyyttä ja hauras indiumtinaoksidi rajoittaa taivuteltavuutta.
IFW-Dresden-instituutin nanotutkijat ovat puolestaan valmistaneet epäorgaanisia ohutkalvotransistoreita, joiden taivutussäteet ovat alle viisi mikrometriä ja vääntäneet koko paketin rullalle.
Valmistuksen teknologia perustuu erittäin kireiden puolijohtavien nanokalvojen rullaamiseen kolmiulotteisiksi putkimaisiksi rakenteiksi.
Käärityt transistorit voiva näin olla upotettuna sylinterimäisen nestekanavan seinämään, joten sille voi löytyä sovelluksia mikrofluidistiikan parista.
Samoihin aikoihin IFW:n tutkijat tuottivat myös rullalle käärittyjä mikroakkuja ja Illinoisin yliopiston tutkijat pistivät yleensä paljon tilaa vaativat induktorit rullalle. Tarkoituksena on tuottaa mikrosiruille sopivia induktoreita ja mikroakkuja.
Olomuodon muutos transistorina
Elektroniikkateollisuuden etsiessä uusia materiaaleja mukaan ovat tulleet vahvasti korreloivat materiaalit, joiden elektronien vuorovaikutus toistensa kanssa tuottaa epätavallisia ja usein käyttökelpoisia ominaisuuksia.
Riken Advanced Science Instituten tutkijat ovat rakentaneet ensimmäisen transistorin, jossa hyödynnettiin materiaalin olomuodon muutosta transistorikytkentään.
Kehitetyssä rakenteessa käytetään vanadiinidioksidia (VO2), joka tunnetaan vahvasti korreloivana materiaalina. Vain yhden voltin jännite riittää vaihtamaan materiaalin eristeestä metalliksi ja tuottamaan peräti tuhatkertaisen pudotuksen resistanssissa.
Lisäksi materiaalissa tapahtuu kiderakenteen muutoksia. Rakenne kuitenkin toimii huoneen lämpötilassa ja vaihtokytkentä tapahtuu vain yhdellä voltilla. Näin se tarjoaa rakennelohkon erittäin pienen tehonkäytön laitteille, haihtumattomille muisteille ja optisille kytkimille.
Transistoreita ihmiskehon materiaaleista
Tel Avivin yliopiston tutkijat ovat rakentaneet proteiiniperustaisen transistorin käyttäen ihmiskehosta löytyviä orgaanisia materiaaleja.
Verellä, maidolla ja eläinliman proteiineilla on kyky itseasettua puolijohtavaksi kalvoksi, ja niiden avulla tutkijat ovat kehitelleet biohajoavaa näyttöruutua.
Yhdessä nämä kolme erilaista proteiinia luovat toimivan piirin, jolla on tiettyjä elektronisia ja optisia ominaisuuksia. Veriproteiini kykenee absorboimaan happea, mikä mahdollista puolijohteen seostuksen tietyillä kemikaaleilla tarkoituksena luoda haluttuja ominaisuuksia.
Maitoproteiinit tunnetaan vahvuudestaan vaikeissakin ympäristöissä ja ne muodostavat kuituja, jotka ovat transistorin rakennelohkoja. Limaproteiineilla on kyky pitää fluoresoiva punainen, vihreä ja sininen muste toisistaan erillään ja luoda näin yhdessä valkoinen valoemissio.
Stanfordin yliopiston bioinsinöörit ovat puolestaan kehittäneet biologisen transistorin, joka on valmistettu geneettisestä materiaalista eli DNA:sta ja RNA:sta.
Elektroniikassa transistori ohjaa elektronien virtaa ja biologinen ”transistori” ohjaa tiettyjen proteiinien virtausta, RNA-polymeraasia, kun se kulkee pitkin DNA-juostetta.
Niiden ja biologiseen tietotekniikkalogiikkaan liittyvien aiempien löytöjen avulla suunnittelijat voivat tehdä laskentaa tai tallennusta elävien solujen sisällä, esimerkiksi silloin, kun solut ovat altistuneet tietyille ulkoisille ärsykkeille.
Maaliskuu 2013