NatElec: Нанотранзисторы преодолеют ограничения кремниевых полупроводников

Кремниевые транзисторы, которые используются для усиления и переключения сигналов, важны для большинства электронных устройств. Но у кремниевых полупроводниковых технологий есть фундаментальное физическое ограничение: транзисторы не могут работать при напряжении ниже определённого уровня.

И это обстоятельство мешает повышению энергоэффективности компьютеров и другой электроники.

Исследователи Массачусетского технологического института создали новый тип трёхмерного транзистора, чтобы преодолеть ограничения кремния.

В этих устройствах используются вертикальные нанопроволоки шириной в несколько нанометров. Они могут обеспечить производительность, сравнимую с современными кремниевыми транзисторами, и при этом эффективно работать при гораздо более низком напряжении.

Это технология, способная заменить кремний. Вы сможете использовать её со всеми функциями кремния, но с большей энергоэффективностью, — говорит Яньцзе Шао, постдок Массачусетского технологического института и ведущий автор статьи о новых транзисторах.

Транзисторы используют квантово-механические свойства, чтобы одновременно работать при низком напряжении и иметь высокую производительность. При этом размер транзистора составляет всего несколько квадратных нанометров. Благодаря малым размерам в компьютерный чип поместится больше таких 3D-транзисторов, что позволит создать быструю, мощную и энергоэффективную электронику.

Профессор инженерных наук Доннер Массачусетского технологического института Хесус дель Аламо считает, что работа Яньцзе — концептуальный прорыв, который позволит добиться большего, но для коммерческого использования этого подхода нужно преодолеть множество трудностей.

В работе над статьей принимают участие Цзю Ли, профессор ядерной инженерии Tokyo Electric Power Company и профессор материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института; аспирант EECS Хао Танг; постдок Массачусетского технологического института Баоминг Ванг; профессора Марко Пала и Давид Эссени из Университета Удине в Италии.

Исследование опубликовано в журнале Nature Electronics.

Нужно превзойти кремний

В электронных устройствах кремниевые транзисторы часто работают как переключатели. Когда на транзистор подают напряжение, он переходит из состояния «выключено» в состояние „включено“. Это происходит потому, что электроны преодолевают энергетический барьер.

Резкость перехода транзистора из одного состояния в другое называется крутизной переключения. Чем круче наклон, тем меньше напряжения требуется для включения транзистора и тем выше его энергоэффективность.

Однако из-за движения электронов через энергетический барьер при комнатной температуре для включения транзистора требуется определённое минимальное напряжение.

Исследователи из Массачусетского технологического института использовали антимонид галлия и арсенид индия, чтобы преодолеть физические ограничения кремния. Они разработали устройства, основанные на квантовом туннелировании — способности электронов проникать через барьеры.

С помощью туннельных транзисторов электроны проходят через энергетический барьер, а не преодолевают его. Это позволяет легко включать и выключать устройство. Однако такие транзисторы работают с малым током, что снижает производительность электронного устройства. Для создания мощных транзисторных переключателей нужен более высокий ток.

Тонкая работа

С помощью инструментов MIT.nano инженеры смогли контролировать 3D-геометрию транзисторов и создать вертикальные нанопроволочные гетероструктуры диаметром 6 нанометров. Это самые маленькие 3D-транзисторы на сегодняшний день.

Точная инженерия позволила добиться резкого переключения и высокого тока благодаря квантовому удержанию. Оно возникает, когда электрон заключён в маленькое пространство и не может перемещаться. В этом случае масса электрона и свойства материала меняются, позволяя электрону легче туннелировать через барьер.

Исследователи могут создавать очень тонкий барьер, потому что транзисторы маленькие. Это позволяет достичь сильного эффекта квантового удержания.

У нас есть возможность проектировать гетероструктуры из этих материалов так, чтобы получить очень высокий ток за счёт тонкого туннельного барьера, — говорит Шао.

Создать достаточно маленькое устройство было сложной задачей.

Мы действительно достигли размера в один нанометр. Очень немногие группы в мире могут создавать хорошие транзисторы в этом диапазоне. Яньцзе обладает способностью создавать хорошо функционирующие и при этом очень маленькие транзисторы, — отмечает дель Аламо.

Исследователи протестировали свои устройства и выяснили, что резкость переключения оказалась лучше, чем у обычных кремниевых транзисторов. Их устройства работали в 20 раз лучше аналогичных туннельных транзисторов.

Мы впервые смогли добиться такой резкой крутизны переключения с помощью этой конструкции, — говорит Шао.

Сейчас исследователи работают над улучшением методов изготовления, чтобы транзисторы были более равномерными по всему чипу. Отклонение в 1 нанометр может изменить поведение электронов и повлиять на работу устройства. Они также изучают вертикальные ребристые структуры, которые могут улучшить однородность устройств на чипе.

04.11.2024