Новый «4-D» транзистор и компьютеры будущего

Новый тип транзистора в форме рождественской елки подоспел как раз к праздникам, но этому опытному образцу не место под деревом рядом с другими подарками

«Это – прообраз того, что грядет в индустрии полупроводников», – заявил профессор электронной и компьютерной инженерии в Университете Пердью Пейде «Питер» Йе. 

Исследователи из университетов Пердью и Гарварда создали транзистор, состоящий из материала, который в ближайшее десятилетие сможет заменить кремний.

Каждый транзистор содержит три тонких нанопровода, которые сделаны не из кремния, как обычные транзисторы, а из материала под названием индий-галлий-арсенид. Эти три нанопровода постепенно уменьшаются в размере – таким образом, в разрезе получается суженный конус, напоминающий рождественскую елку. Исследователи основываются на предыдущей работе, целью которой было создать 3-D структуру вместо обычных плоских транзисторов.

Такой подход позволит инженерам создавать более быстрые, компактные и эффективные интегральные схемы и, как следствие, более легкие ноутбуки, которые производят меньше тепла, чем те, которыми мы пользуемся сегодня. Новые открытия показывают, как можно улучшить производительность устройств путем соединения транзисторов вертикально и параллельно.

«В одноэтажном доме может поместиться много людей, но чем больше этажей, тем больше людей. То же самое и с транзисторами, – сказал Йе. – Укладывание их рядами приводит к намного более быстрой и эффективной работе высокоскоростных компьютеров. В них как бы присутствует еще одно измерение, поэтому я называю их 4-D».

Детали этих открытий будут описаны в двух научных статьях, которые будут представлены в ходе Международной встречи по электронным устройствам, которая проходит сейчас в Сан-Франциско.

Поперечное сечение транзистора. Фото с сайта purdue.edu

Исследование возглавляют докторант из Университета Пердью, Джиангджианг Гу и научный сотрудник Гарвардского университета Ксинвей Вангом. Новейшее поколение кремниевых компьютерных чипов, представленных в этом году, содержит транзисторы с вертикальной 3-D структурой вместо обычных плоских. Однако из-за того, что кремний имеет ограниченную «мобильность электронов» (скорость движения электронов), в дальнейшем другие материалы будут использоваться для усовершенствования транзисторов с помощью этого 3-D подхода, сказал Йе.

Индий-галлий-арсенид входит в число тех многообещающих полупроводников, которые изучаются в качестве замены кремнию. Эти полупроводники называются материалами III-V, так как они соединяют в себе элементы из третьей и пятой групп периодической таблицы. Основным элементом транзистора является затвор, который служит для включения и выключения транзистора, а также для изменения направления электрического тока. Меньший по размеру затвор позволяет совершать более быстрые операции.

В современных кремниевых 3-D транзисторах размер затвора составляет около 22 нанометров (миллиардных частей метра). 3-D конструкция является очень важной, потому что затворы длиной 22 нанометра и меньше не работают как следует, если транзистор обладает плоским строением. Инженеры работают над созданием транзисторов с еще меньшим размером затвора; к 2015 году планируется создать 14-нанометровый затвор, а к 2018 – 10-нанометровый.

Однако уменьшение размера до 10 нанометров и дополнительное улучшение производительности, скорее всего, не будут возможны с использованием кремния, что означает, что будут продолжаться поиски новых материалов, сказал Йе. Создание транзисторов меньшего размера потребует использования нового типа изоляции, или «диэлектрического слоя», который позволяет выключать затвор. Когда размер затвора становится меньше 14 нанометров, диэлектрик, который используется в обычных транзисторах, не работает правильно и «пропускает» электрический заряд, когда транзистор выключен.

Нанопровода и новые транзисторы покрыты другим видом композитного изолятора – слоем лантан алюмината с толщиной в 4 нанометра с ультратонким слоем оксида алюминия толщиной 0,5 нанометра. Новый ультратонкий диэлектрик позволил ученым создать транзисторы из индий-галлий-арсенида с затвором размером в 20 нанометров, что, по словам Йе, является очень важной вехой.