Наноразмерные 3D-транзисторы, изготовленные из ультратонких полупроводниковых материалов, могут работать более эффективно, чем устройства на основе кремния, используя квантово-механические свойства для потенциально создания приложений искусственного интеллекта со сверхнизким энергопотреблением.
Источник: iStock
Кремниевые транзисторы, которые используются для усиления и коммутации сигналов, являются критически важным компонентом большинства электронных устройств, от смартфонов до автомобилей. Но технология кремниевых полупроводников сдерживается фундаментальным физическим ограничением, которое не позволяет транзисторам работать ниже определенного напряжения.
Это ограничение, известное как «тирания Больцмана», препятствует повышению энергоэффективности компьютеров и другой электроники, особенно в условиях быстрого развития технологий искусственного интеллекта, требующих более быстрых вычислений.
В попытке преодолеть этот фундаментальный предел кремния, исследователи из Массачусетского технологического института изготовили другой тип трехмерного транзистора, используя уникальный набор ультратонких полупроводниковых материалов.
Их устройства, оснащенные вертикальными нанопроводами шириной всего в несколько нанометров, могут обеспечить производительность, сравнимую с современными кремниевыми транзисторами, при этом эффективно работая при гораздо более низких напряжениях, чем обычные устройства.
«Это технология, которая может заменить кремний, поэтому вы можете использовать ее со всеми функциями, которые кремний имеет в настоящее время, но с гораздо лучшей энергоэффективностью», — говорит Яньцзе Шао, постдок из Массачусетского технологического института и ведущий автор статьи о новых транзисторах.
Транзисторы используют квантово-механические свойства для одновременного достижения низковольтной работы и высокой производительности в пределах всего нескольких квадратных нанометров. Их чрезвычайно малый размер позволил бы упаковать больше этих 3D-транзисторов на компьютерный чип, что привело бы к быстрой, мощной электронике, которая также была бы более энергоэффективной.
«С традиционной физикой вы можете зайти так далеко. Работа Яньцзе показывает, что мы можем сделать лучше, но мы должны использовать другую физику. Есть много проблем, которые еще предстоит преодолеть, чтобы этот подход стал коммерческим в будущем, но концептуально это действительно прорыв», — говорит старший автор Хесус дель Аламо, профессор инженерии Доннера на кафедре электротехники и компьютерных наук (EECS) Массачусетского технологического института.
К ним присоединяются Цзюй Ли, профессор ядерной инженерии Токийской электроэнергетической компании и профессор материаловедения и инженерии в Массачусетском технологическом институте; аспирант EECS Хао Тан; постдок MIT Баомин Ван; профессора Марко Пала и Давид Эссени из Университета Удине в Италии. Исследование опубликовано в журнале Nature Electronics.
Превосходящий кремний
В электронных устройствах кремниевые транзисторы часто работают как переключатели. Подача напряжения на транзистор заставляет электроны перемещаться по энергетическому барьеру с одной стороны на другую, переключая транзистор из «выключенного» в «включенное». При переключении транзисторы представляют собой двоичные цифры для выполнения вычислений.
Наклон переключения транзистора отражает резкость перехода из положения «выкл» в положение «вкл». Чем круче уклон, тем меньше напряжения нужно для включения транзистора и тем больше его энергоэффективность.
Но из-за того, как электроны перемещаются через энергетический барьер, тирания Больцмана требует определенного минимального напряжения для переключения транзистора при комнатной температуре.
Энергетический барьер — это препятствие, которое частицы не могут преодолеть без взаимодействия. Например, при высоком энергетическом барьере между коллоидными частицами они расходятся без взаимодействия.
Тирания Больцмана — это ограничение подпорогового размаха в транзисторе, который определяет работу устройства в маломощных приложениях, таких как переключатели. В обычном транзисторе этот параметр ограничен значением кБТ ln(10)/q.
Однако в топологических транзисторах тиранию Больцмана можно преодолеть с помощью топологического эффекта квантового поля, если модулировать спин-орбитальное взаимодействие Рашбы. Это позволяет уменьшить подпороговое колебание более чем на 25% по сравнению с пределом Больцмана.
Чтобы преодолеть физический предел кремния, исследователи из Массачусетского технологического института использовали другой набор полупроводниковых материалов — антимонид галлия и арсенид индия — и разработали свои устройства, использующие уникальное явление в квантовой механике, называемое квантовым туннелированием.
Квантовое туннелирование — это способность электронов преодолевать барьеры. Исследователи изготовили туннельные транзисторы, которые используют это свойство, чтобы побудить электроны преодолевать энергетический барьер, а не пересекать его.
«Теперь вы можете очень легко включать и выключать устройство», — говорит Шао.
Но в то время как туннельные транзисторы могут обеспечить резкие наклоны переключения, они, как правило, работают с низким током, что снижает производительность электронного устройства. Более высокий ток необходим для создания мощных транзисторных ключей для требовательных приложений.
Мелкозернистое производство
Используя инструменты MIT.nano, ультрасовременного центра MIT для наноразмерных исследований, инженеры смогли тщательно контролировать 3D-геометрию своих транзисторов, создавая вертикальные нанопроволочные гетероструктуры диаметром всего 6 нанометров. Они считают, что это самые маленькие 3D-транзисторы, о которых сообщалось на сегодняшний день.
Такая точная инженерия позволила им добиться резкого угла переключения и высокого тока одновременно. Это возможно благодаря явлению, называемому квантовым удержанием.
Квантовое удержание происходит, когда электрон ограничен пространством, которое настолько мало, что он не может перемещаться. Когда это происходит, эффективная масса электрона и свойства материала изменяются, что обеспечивает более сильное туннелирование электрона через барьер.
Поскольку транзисторы настолько малы, исследователи могут создать очень сильный квантовый эффект удержания, а также изготовить чрезвычайно тонкий барьер.
«У нас есть большая гибкость для проектирования гетероструктур из этих материалов, поэтому мы можем достичь очень тонкого туннельного барьера, который позволяет нам получать очень высокий ток», — говорит Шао.
Точное изготовление устройств, которые были бы достаточно маленькими для выполнения этой задачи, было серьезной проблемой.
«В этой работе мы действительно занимаемся однонанометровыми измерениями. Очень немногие группы в мире могут сделать хорошие транзисторы в этом диапазоне. Яньцзе обладает необычайными способностями к созданию таких хорошо функционирующих транзисторов, которые настолько малы», — говорит дель Аламо.
Когда исследователи тестировали свои устройства, резкость наклона переключения была ниже фундаментального предела, который может быть достигнут с обычными кремниевыми транзисторами. Их устройства также работали примерно в 20 раз лучше, чем аналогичные туннельные транзисторы.
«Это первый раз, когда мы смогли достичь такой резкой крутизны переключения с помощью этой конструкции», — добавляет Шао.
В настоящее время исследователи стремятся усовершенствовать свои методы изготовления, чтобы сделать транзисторы более однородными по всему чипу. С такими маленькими устройствами даже дисперсия в 1 нанометр может изменить поведение электронов и повлиять на работу устройства. Они также исследуют вертикальные плавниковые структуры, в дополнение к вертикальным нанопроволочным транзисторам, которые потенциально могут улучшить однородность устройств на чипе.
«Эта работа определенно движется в правильном направлении, значительно улучшая характеристики туннельного полевого транзистора (TFET) с разрывным зазором. Он демонстрирует крутой склон вместе с рекордным драйв-током. В нем подчеркивается важность малых размеров, экстремальных ограничений и материалов и интерфейсов с низким уровнем дефектов в изготовленных TFET с разрывным зазором. Эти функции были реализованы с помощью хорошо освоенного и контролируемого нанометрового размера», — говорит Арьян Афзалян, главный член технического персонала исследовательской организации наноэлектроники imec, который не участвовал в этой работе.
Это исследование частично финансируется корпорацией Intel.