Открытие предлагает новые возможности для некремниевых транзисторов

13 январь, 2021 - 18:05Леонид Бараш

На протяжении десятилетий один материал настолько доминировал в производстве компьютерных чипов и транзисторов, что мировая технологическая столица - Кремниевая долина - носит его имя. Но правление кремния не может длиться вечно.

Исследователи из Массачусетского технологического института (МТИ) обнаружили, что сплав под названием InGaAs (арсенид индия-галлия) может обладать потенциалом для создания более компактных и более энергоэффективных транзисторов. Ранее исследователи считали, что производительность транзисторов InGaAs ухудшается при небольших масштабах. Но новое исследование показывает, что это видимое ухудшение не является внутренним свойством самого материала.

Это открытие может однажды помочь вывести вычислительную мощность и эффективность за пределы возможностей кремния. «Мы очень взволнованы, - сказала Сяовей Цай (Xiaowei Cai), ведущий автор исследования. - Мы надеемся, что этот результат побудит сообщество продолжить изучение использования InGaAs в качестве материала канала для транзисторов».

Цай, теперь работающая в Analog Devices, завершила исследование в качестве аспиранта в лабораториях технологий микросистем МТИ и на факультете электротехники и информатики (EECS) с проф. Хесусом дель Аламо (Jesús del Alamo).

Транзисторы - это строительные блоки компьютера. Один ноутбук может содержать миллиарды транзисторов. Для повышения вычислительной мощности в будущем, как это было на протяжении десятилетий, инженерам-электрикам придется разработать более компактные транзисторы с более плотной упаковкой. На сегодняшний день кремний является предпочтительным полупроводниковым материалом для транзисторов. Но InGaAs намекает, что может стать потенциальным конкурентом.

Электроны могут легко течь через InGaAs даже при низком напряжении. «Известно, что этот материал обладает отличными [электронными] транспортными свойствами», - говорит Цай. Транзисторы InGaAs могут быстро обрабатывать сигналы, что потенциально приводит к более быстрым вычислениям. Кроме того, транзисторы InGaAs могут работать при относительно низком напряжении, что означает, что они могут повысить энергоэффективность компьютера. Так что InGaAs может оказаться многообещающим материалом для компьютерных транзисторов. Но есть загвоздка.

Благоприятные свойства электронного транспорта в InGaAs, похоже, ухудшаются в малых масштабах - масштабах, необходимых для создания более быстрых и плотных компьютерных процессоров. Эта проблема привела некоторых исследователей к выводу, что наноразмерные транзисторы InGaAs просто не подходят для этой задачи. Но, говорит Цай, «мы обнаружили, что это заблуждение».

Команда нашла, что небольшие проблемы с производительностью InGaAs частично связаны с улавливанием оксидов. Это явление заставляет электроны застревать при попытке пройти через транзистор. «Транзистор должен работать как переключатель. Вы должны иметь возможность включать напряжение и иметь большой ток, - говорит Цай. - Но если у вас есть захваченные электроны, происходит то, что когда вы включаете напряжение, но у вас есть только очень малый ток в канале. Так что коммутационная способность намного ниже, когда у вас есть захват оксида».

Команда Цай определила причину захвата оксидов, изучив частотную характеристику транзистора - скорость, с которой электрические импульсы проходят через транзистор. На низких частотах производительность наноразмерных транзисторов InGaAs ухудшилась. Но на частотах 1 ГГц и выше они работали нормально - улавливание оксидов больше не было помехой. «Когда мы использовали эти устройства на очень высокой частоте, мы заметили, что производительность действительно хорошая, - говорит она. - Они конкурентоспособны с кремниевой технологией».

Цай надеется, что открытие ее команды даст исследователям новую причину для разработки компьютерных транзисторов на основе InGaAs. Работа показывает, что проблема, которую необходимо решить, заключается не в самом транзисторе InGaAs. Это проблема улавливания оксидов. «Мы считаем, что это проблема, которую можно решить или спроектировать», - говорит она. И добавляет, что InGaAs показал себя многообещающим как в классических, так и в квантовых вычислительных приложениях.

Открытие предлагает новые возможности для некремниевых транзисторов