Новые материалы для транзисторов

Как пишет Денис Борн на сайте www.3dnews.ru, стремительный рост быстродействия компьютеров, мобильных телефонов и коммуникационных сетей в последние 40 лет преимущественно являлся результатом уменьшения размеров транзисторов. Сегодня они становятся настолько миниатюрными, что в действие вступают фундаментальные ограничения законов физики, и вскоре "выжать" из компонентов ещё большую производительность будет невозможно. Исследователи из Лаборатории технологий микросистем Массачусетского технологического института (MIT's Microsystems Technology Laboratories), возглавляемые профессором Хесусом дель Аламо (Jesús del Alamo), изучают возможность продолжения следования Закону Мура при помощи использования экзотических для транзисторов материалов. На международной конференции International Electron Devices Meeting (IEDM) 2009 они представили свой взгляд на будущее электроники.

Группа дель Адамо работает над комбинированными полупроводниками, которые носят такое название по той причине, что в отличие от кремния состоят из нескольких слоёв других материалов. В частности, они содержат элементы из III и V групп периодической таблицы и включают такие соединения, как арсенид галлия и индий-галлий-арсенид. Электроны проходят через эти материалы гораздо быстрее, чем через кремний, и соответствующие полупроводники уже годы используются в быстродействующей электронике, например, обрабатывающей данные в сетях с оптоволоконными линиями. Но как утверждает дель Адамо, транзисторы класса III-V в оптических устройствах на несколько порядков больше, чем в компьютерных кремниевых чипах. Возможно ли сохранить их преимущества при переходе на существенно меньший масштаб — это и есть область интереса исследователей.

В компьютерных процессорах транзисторы действуют как переключатели, выполняющие логические операции — сравнение значений или арифметические функции. Однако они также используются для усиления электрических сигналов в радиоэлектронной приёмо-передающей аппаратуре. Ранее дель Адамо демонстрировал транзистор, который установил мировой рекорд в работе с высокочастотным сигналом и превзошёл любой из существовавших до того времени элементов. И хотя этот факт даёт представление о потенциале транзисторов, с точки зрения их функционирования в качестве логических элементов характеристики рассматриваются под иным углом. Чтобы измерить важные параметры, учёные за прошедшее время создали чипы с несколькими идентичными транзисторами за исключением длины их затворов. Когда на затворе есть электрический заряд, на полупроводниковый слой под ним действует электростатическая сила, определяющая способность полупроводника пропускать заряды.

Путём сравнения быстродействия транзисторов с разными затворами на различных частотах дель Адамо сумел точно измерить скорость прохождения электронов через каждый элемент и электростатическую силу. По словам учёного, скорость электронов — это ключевой фактор производительности будущей логики, основанной на подобных материалах, и его группа с лёгкостью добилась двукратного роста параметра по сравнению с лучшими сегодняшними кремниевыми аналогами. Электростатическая сила оказалась ниже ожидавшегося уровня, но её измерение позволило построить точные физические модели поведения транзисторов класса III-V. Благодаря им характеристики затвора могут быть улучшены. Модели важны и для демонстрации заинтересованным игрокам индустрии полупроводников, поскольку без наглядного представления лежащих за потенциалом какой-либо разработки физических процессов переход на новую технологию не будет востребован.

Дель Адамо также сотрудничает с исследователями из Университета Пердью (Purdue University), создавшими симуляторы для моделирования поведения даже меньших, чем прототипы MIT, транзисторов с материалами из элементов III и V групп. Впрочем, несмотря на быстродействие, у полупроводниковых элементов этого класса есть недостаток, который может не позволить им стать будущим чипов следующего поколения. Используемые в данном случае материалы не так распространены, как кремний, а потому более дорогостоящие. Но хотя прототипы дель Адамо целиком изготовлены из них, он утверждает, что достаточно заменить в кремниевых транзисторах отдельные компоненты на индий-галлий-арсенид, чтобы получить значительный выигрыш.