Mikroelektroniikan energiatehokkuutta virittäen

MIT:n tutkijat ovat luoneet uuden valmistusmenetelmän, joka voisi mahdollistaa energiatehokkaamman elektroniikan tuotannon pinoamalla useita toiminnallisia komponentteja päällekkäin.

Kehitetty uusi elektroniikan integrointialusta mahdollistaa tieteilijöiden valmistaa transistoreita ja muistipiirejä yhdessä kompaktissa puolijohdepiirin pinossa.

Tämän edistysaskeleen avain on uusi, ainutlaatuisilla ominaisuuksilla varustettu materiaali ja tarkempi valmistusmenetelmä, joka vähentää materiaalin virheiden määrää. Tämä mahdollistaa tutkijoiden valmistaa erittäin pieniä transistoreita, joissa on sisäänrakennettu muisti.

Tavallisissa CMOS-siruissa on aktiivisten komponenttien taso ja niiden päällä liitäntöihin liittyvä osa. Aktiivisten komponenttien pinoaminen lyhentäisi datan kulkemaa matkaa ja parantaisi sirun energiatehokkuutta. Mutta nykytekniikalla aktiivikerroksen päälle ei voida valmistaa uusia transistoreita koska valmistuksessa tarvittava korkea lämpötila tuhoaisi alla olevat transistorit.

”Jos voimme lisätä aktiivisia transistorikerroksia pelkkien yhdysliitäntöjen sijaan, se nostaisi sirun integrointitiheyttä huomattavasti ja parantaisi sen energiatehokkuutta”, Shao selittää.

Tutkijat saavuttivat tämän käyttämällä uutta materiaalia, amorfista indiumoksidia pinotransistorinsa aktiivisena kanavakerroksena. Indiumoksidin ainutlaatuisten ominaisuuksien ansiosta he voivat "kasvattaa" erittäin ohuen kerroksen tätä materiaalia vain noin 150 celsiusasteen lämpötilassa olemassa olevan piirikerroksen päälle alle jääviä piirejä tuhoamatta.

He optimoivat huolellisesti valmistusprosessin, joka minimoi vain noin 2 nanometriä paksun indiumoksidimateriaalikerroksen virheiden määrän.

Muutama happivakanssin virhe tarvitaan transistorin kytkeytymiseen päälle, mutta liian monen virheen vuoksi se ei toimi kunnolla.

Optimoitu valmistusprosessi mahdollisti tutkijoiden tuottaa erittäin pieni transistori, joka toimii nopeasti ja puhtaasti, poistaen suuren osan lisäenergiasta, jota tarvitaan transistorin kytkemiseen päälle ja pois päältä.

Tämän lähestymistavan pohjalta he valmistivat myös integroidulla muistilla varustettuja transistoreja, joiden koko on vain noin 20 nanometriä. Tätä varten he lisäsivät muistikomponentiksi ferroelektrisestä hafnium-zirkoniumoksidista koostuvan materiaalikerroksen.

Nämä kompaktit muistitransistorit osoittivat vain 10 nanosekunnin kytkentänopeuksia. Tämä kytkentä vaatii myös paljon pienemmän jännitteen kuin vastaavat piirit, mikä sekin vähentää sähkönkulutusta.

Tulevaisuudessa he haluavat rakentaa näiden demonstraatioiden pohjalta integroimalla uusia muistitransistoreita yhdelle piirille. He haluavat myös parantaa transistoreiden suorituskykyä ja tutkia, miten ferroelektrisen hafnium-zirkoniumoksidin ominaisuuksia voidaan hallita tarkemmin.

Aiheesta aiemmin:

Kerrosten välinen ohjattava kontakti 2D-elektroniikalle

Insinöörit kasvattavat "pystyrakenteisia" 3D-siruja