Nanomittakaavan transistoreita

Ylittääkseen piipuolijohdetekniikan nykyiset rajat MIT:n tutkijat valmistivat tyypiltään erilaisen kolmiulotteisen transistorin käyttämällä ainutlaatuista sarjaa erittäin ohuita puolijohdemateriaaleja.

Heidän kehittämät rakenteet, joissa on vain muutaman nanometrin leveät pystysuorat nanolangat, voivat tuottaa suorituskykyä, joka on verrattavissa huippuluokan piitransistoreihin, samalla kun ne toimivat tehokkaasti paljon pienemmillä jännitteillä kuin perinteiset piirit.

"Tämä on teknologia, jolla on potentiaalia korvata pii, joten voit käyttää sitä kaikilla piillä tällä hetkellä olevilla toiminnoilla, mutta paljon paremmalla energiatehokkuudella", sanoo MIT:n postdoc Yanjie Shao.

Uudet transistorit hyödyntävät kvanttimekaanisia ominaisuuksia saavuttaakseen samanaikaisesti matalajännitteisen toiminnan ja korkean suorituskyvyn vain muutaman nanoneliömetrin alueella.

"Monia haasteita on vielä voitettava, jotta tämä lähestymistapa olisi kaupallinen tulevaisuudessa, mutta käsitteellisesti kyseessä on todella läpimurto", sanoo vanhempi kirjoittaja Jesús del Alamo.

Koska transistoreissa elektronit liikkuvat energiaesteen yli, ns. Boltzmannin tyrannia vaatii tietyn minimijännitteen transistorin kytkemiseksi. Alittaakseen tämän minimin MIT-tutkijat käyttivät erilaisia puolijohdemateriaaleja - galliumantimonidia ja indiumarsenidia - ja suunnittelivat rakenteet hyödyntämään kvanttitunnelointia.

Mutta vaikka tunnelointitransistorit voivat mahdollistaa teräviä kytkentäkulmia, ne toimivat tyypillisesti alhaisella virralla, mikä haittaa suorituskykyä. Suurempi virta on tarpeen tehokkaiden transistorikytkimien luomiseksi vaativiin sovelluksiin.

Käyttämällä nanomittakaavan tutkimustyökaluja, insinöörit pystyivät hallitsemaan transistoriensa 3D-geometriaa ja luomaan pystysuuntaisiananolankaisia heterorakenteita. He uskovat, että nämä ovat pienimmät tähän mennessä raportoidut 3D-transistorit.

Näin tarkan suunnittelun ansiosta he pystyivät saavuttamaan terävän kytkentäkulman sekä suuren virran samanaikaisesti. Tämän taas mahdollistaa kvanttirajoitukseksi kutsuttu ilmiö.

Kvanttirajoittuminen tapahtuu, kun elektroni on rajoitettu tilaan, joka on niin pieni, että se ei voi liikkua. Kun näin tapahtuu, elektronin tehollinen massa ja materiaalin ominaisuudet muuttuvat, mikä mahdollistaa elektronin vahvemman tunneloinnin esteen läpi. Koska transistorirakenteet ovat niin pieniä, tutkijat saattoivat suunnitella erittäin vahvan kvanttirajoitusvaikutuksen ja samalla valmistaa erittäin ohuen esteen.

Kun tutkijat testasivat piirejään, kytkentäkulman terävyys jäi alle perinteisten piitransistoreiden perusrajan ja ne toimivat myös noin 20 kertaa paremmin kuin vastaavat tunnelointitransistorit.

Työssä raportoitiin skaalatut pystysuuntaiset nanolankaiset heteroliitoksiset tunnelointitransistorit, jotka perustuvat katkokaistaiseen GaSb/InAs-järjestelmään. Ne tarjoavat käyttövirran 300 µA µm−1 ja alle 60 mV dec−1 kytkentäkulman 0,3 V:n käyttöjännitteellä.

Tutkijat pyrkivät nyt parantamaan valmistusmenetelmiään tehdäkseen transistoreista tasalaatuisempia sirupiirejä ajatellen. Näin pienillä rakenteilla jopa 1 nanometrin varianssi voi muuttaa elektronien käyttäytymistä ja vaikuttaa rakenteen toimintaan. He tutkivat myös pystysuuntaisiaevän muotoisia rakenteita, jotka voisivat mahdollisesti parantaa sirulla olevien piirien yhtenäisyyttä.

"Tämä työ etenee ehdottomasti oikeaan suuntaan ja parantaa merkittävästi TFET:in (break-gap tunnel field effect transistor) suorituskykyä. Se osoittaa jyrkkää nousua yhdessä ennätyksellisen ajovirran kanssa. Se korostaa pienten mittojen, äärimmäisen rajauksen ja vähävirheisten materiaalien ja liitäntöjen merkitystä valmistetussa rikotun kaistaeron TFET:ssä.

Tätä tutkimusta rahoitti osittain Intel Corporation.

Aiheesta aiemmin:

Seuraava alusta aivojen inspiroimalle tietojenkäsittelylle

Yhtä aikaa analoginen ja digitaalinen

Transistoreita uusille piiriarkkitehtuureille