Seuraavan sukupolven 3D-transistorit

Puolijohdeteknologian merkittävänä edistysaskeleena UC Santa Barbaran tutkijat ovat tuoneet esiin uusia kolmiulotteisia (3D) transistoreita, joissa hyödynnetään kaksiulotteisia (2D) puolijohteita.

Heidän lähestymistapansa tasoittaa tietä energiatehokkaalle, korkean suorituskyvyn elektroniikalle, jolla on ennennäkemätön miniatyrisoinnin potentiaali.

"Tämä läpimurto on merkittävä askel kohti seuraavan sukupolven transistoritekniikoita, jotka voivat ylläpitää tietojenkäsittely- ja tekoälysovellusten nopeaa kehitystä", sanoi Kaustav Banerjee, sähkö- ja tietokonetekniikan professori. "Integroimalla atomiohuita 2D-puolijohteita 3D-arkkitehtuuriin olemme avanneet uusia mahdollisuuksia suorituskyvyn parantamiseen, transistorien skaalautumiseen ja energiatehokkuuteen."

Kirjoittajien mukaan, transistorin miniatyrisoinnissa 10 nm:n kanavapituuden ylittävien transistorien pienentäminen samalla kun virrankulutus pidetään alhaisena ja suorituskyky hyvänä on yhä haastavampaa, jopa huipputekniikan Fin-FET:eille.

Tältä osin UCSB-ryhmän tutkimus esittää 3D-gate-all-around (GAA) -rakenteisten transistoreiden parannettua sähköstatiikkaa. Kun ne toteutetaan 2D-puolijohteilla, voitaisiin käyttää lopulta skaalattujen, muutaman nanometrin kanavapituisten transistorien toteuttamiseen, mikä parantaa merkittävästi suorituskykyä ja energiatehokkuutta. He ovat lyhentäneet nämä 3D GAA -transistorit NXFETeiksi, joissa N = nano ja X = arkki, haarukka tai levy, jotka edustavat kanavan pinoamisen topologiaa.

Heidän tutkimuksessaan selvitetään, kuinka tällaisia transistoreita voidaan ainutlaatuisesti suunnitella 2D-puolijohteilla.

Erityisesti tutkimuksessa esitellyn nanoarkki-FET-arkkitehtuurin on osoitettu maksimoivan atomisesti ohuiden 2D-materiaalien, kuten volframidisulfidin (WS₂), ainutlaatuisista ominaisuuksista saatavat hyödyt. Tämä uusi arkkitehtuuri hyödyntää 2D-kerrosten lateraalista pinoamista, mikä lisää integraatiotiheyttä kymmenkertaiseksi iso-suorituskykymittareiden avulla.

"Hyödyntämällä 2D-materiaalien erinomaisia fysikaalisia ja kvanttimekaanisia ominaisuuksia voimme voittaa monet rajoitukset, jotka liittyvät perinteisiin piillä suunniteltuihin 3D-transistoreihin", Banerjee selitti. "Simulaatiomme osoittavat, että nanolevytransistoreilla saavutetaan merkittäviä parannuksia energiatehokkuudessa ja suorituskyvyssä, kun kanavan pituudet skaalataan alle 5 nm:n mittoihin."

Tutkimustulokset osoittavat, että 2D-puolijohdepohjaiset 3D-FETit ylittävät piivastineet kriittisissä mittareissa, kuten käyttövirran ja energian viivetuotteen (kytkemiseen tarvittavan energian määrä). 2D-materiaalien ohuus minimoi laitteen kapasitanssin kun taas niiden pystysuora pinoaminen tukee parempaa skaalausta valmistuksen aikana.

"Työmme ei ainoastaan osoita 2D-materiaalien potentiaalia, vaan tarjoaa myös yksityiskohtaisen suunnitelman niiden integroimiseksi 3D-transistorisuunnitelmiin", sanoi Wei Cao, tutkimuksen toinen kirjoittaja. "Tämä on kriittinen askel eteenpäin puolijohdeteollisuudelle, koska se pyrkii laajentamaan Mooren lakia."

Aiheesta aiemmin:

Nanomittakaavan transistoreita

Kaksiulotteinen tehostaa transistoria