Новий тип транзисторів скорочує кількість компонентів на 75%

Менш ніж за два десятиліття після того, як смартфони помістилися на долоні, штучний інтелект уже працює в гаджетах на наших зап'ястях. Проте виникає серйозна суперечність: самі пристрої продовжують зменшуватися, тоді як обсяг даних, які вони мають обробляти, та кількість їхніх функцій зростають експоненціально. Дослідницька група з Пхоханського університету науки та технологій (POSTECH) знайшла перспективний спосіб розв'язати цю проблему.

Команда під керівництвом професора Бьон Хун Лі (Byoung Hun Lee) та доктора Дже Хьон Джуна (Jae Hyeon Jun) розробила технологію транзисторів, яка дозволяє одному напівпровідниковому пристрою виконувати кілька функцій схеми одночасно. Новий підхід суттєво спрощує проєктування мікросхем і вчетверо збільшує швидкість обробки даних порівняно з традиційними методами. Результати дослідження були опубліковані в Advanced Functional Materials - міжнародному журналі у сфері матеріалознавства та електронних пристроїв.

Одним із головних завдань напівпровідникової індустрії є інтеграція більшої кількості функцій у менші чипи. Зазвичай розширення можливостей вимагає пропорційного збільшення кількості схем і транзисторів.

Однак, коли нові функції додаються до вже сформованих напівпровідникових кристалів на фінальних етапах виробництва (процеси BEOL — back-end-of-line), температура обробки не повинна перевищувати 400°C. Інакше існує великий ризик пошкодити вже створену структуру чипа.

Щоб обійти це обмеження, корейські вчені зосередилися на двох матеріалах: оксиді цинку (ZnO) та телурі (Te). Обидва матеріали можна наносити у вигляді тонких однорідних плівок за температури нижче 200°C, що робить їх кандидатами для напівпровідників наступного покоління. Поєднавши їх, команда створила гетероструктурний транзистор ZnO–Te.

Новий пристрій керує потоком струму вельми нетиповим способом. У класичних напівпровідниках сила струму зазвичай зростає разом із підвищенням напруги. Натомість розробка POSTECH демонструє ефект негативної диференціальної крутості (NDT) — коли в певному діапазоні напруги струм, навпаки, зменшується.

Вченим вдалося успішно реалізувати ефект подвійної негативної диференціальної крутості (D-NDT), за якого це явище відбувається двічі поспіль в одному пристрої. Простіше кажучи, один такий компонент може самостійно виконувати завдання, які зазвичай розподіляються між кількома окремими транзисторами, що радикально знижує складність схеми.

Ключ до успіху полягає в точному контролі довжини зони перекриття між двома матеріалами. Коли ця зона коротка, струм змінює свій напрямок лише один раз. Проте зі збільшенням довжини перекриття всередині пристрою одночасно виникають як горизонтальні (латеральні), так і вертикальні струми, що генерує подвійні піки струму. Подібно до того, як лінійний рух на дорозі стає складнішим і розгалуженішим на тривимірній розв'язці, цей транзистор отримує здатність до багаторівневої обробки сигналів.

Використовуючи новий транзистор, дослідники створили помножувач частоти в чотири рази, який перетворює один вхідний сигнал на чотири вихідні. Зазвичай для такої операції потрібен каскад із багатьох транзисторів, але нова технологія впоралася за допомогою одного єдиного пристрою, скоротивши кількість необхідних компонентів на 75%. Під час реальних лабораторних випробувань вчені підтвердили, що швидкість обробки даних зросла в чотири рази в межах одного циклу вхідного сигналу.

«Це дослідження доводить можливість реалізації складних функцій мікросхем на рівні одного напівпровідникового пристрою, - підкреслив професор Бьон Хун Лі. - Ми очікуємо, що ця технологія знайде широке застосування у виробництві ультракомпактних AI-пристроїв та тривимірних високощільних напівпровідникових систем».

Проєкт реалізовано за підтримки Програми розвитку базових технологій для Національної науково-дослідної лабораторії напівпровідників та Програми розвитку технологій наноматеріалів, що фінансуються Міністерством науки та ІКТ Південної Кореї, а також Національним дослідницьким фондом Кореї.