טרנזיסטור מוליכים למחצה קטנטן עשוי לאתגר את הדומיננטיות של הסיליקון | אמרלד תובנה

טרנזיסטור מוליכים למחצה קטנטן עשוי לאתגר את הדומיננטיות של הסיליקון

סוג מאמר: חדשות מהתעשייה מאת: Microelectronics International, כרך 30, גיליון 2

חוקרי MIT מפתחים את טרנזיסטור אינדיום גליום ארסניד הקטן ביותר שנבנה אי פעם

הכתר של הסיליקון נמצא בסכנה: ניתן היה למנות את ימיו של המוליך למחצה כמלך המיקרו-שבבים למחשבים ולמכשירים חכמים, הודות לפיתוח הטרנזיסטור הקטן ביותר שנבנה אי פעם מחומר מתחרה, אינדיום גליום ארסניד.

הטרנזיסטור המורכב, שנבנה על ידי צוות במעבדות הטכנולוגיה של MIT, מתפקד היטב למרות אורכו של 22 ננומטר בלבד (מיליארדית המטר). זה הופך אותו למועמד מבטיח להחליף בסופו של דבר סיליקון במכשירי מחשוב, אומר מפתח שותף ג'וסוס דל אלאמו, פרופסור דונר למדעים במחלקה להנדסת חשמל ומדעי המחשב (EECS) של MIT, שבנה את הטרנזיסטור עם הסטודנט לתואר שני ב-EECS Jianqian Lin ודימיטרי אנטוניאדיס, הפרופסור של ריי ומריה סטטה להנדסת חשמל.

כדי לעמוד בקצב הדרישה שלנו להתקני מחשוב מהירים וחכמים יותר, גודל הטרנזיסטורים מצטמצם ללא הרף, מה שמאפשר לדחוס מספרים הולכים וגדלים שלהם על שבבים. "ככל שאתה יכול לארוז יותר טרנזיסטורים על שבב, כך השבב יהיה חזק יותר, והשבב יבצע יותר פונקציות", אומר דל אלאמו.

אבל ככל שטרנזיסטורי הסיליקון מצטמצמים לסולם הננומטרי, כמות הזרם שניתן לייצר על ידי המכשירים גם מצטמצמת, מה שמגביל את מהירות הפעולה שלהם. זה הוביל לחשש שחוק מור - התחזית של מייסד אינטל, גורדון מור, לפיה מספר הטרנזיסטורים בשבבים יכפילו כל שנתיים - עלול להסתיים, אומר דל אלאמו.

כדי לשמור על חוק מור בחיים, חוקרים חוקרים מזה זמן מה חלופות לסיליקון, שעלולות לייצר זרם גדול יותר גם כאשר הם פועלים בקנה מידה קטן יותר. חומר אחד כזה הוא התרכובת אינדיום גליום ארסניד, שכבר נמצאת בשימוש בטכנולוגיות תקשורת סיבים אופטיים ורדאר, וידועה כבעלת תכונות חשמליות טובות ביותר, אומר דל אלאמו. אבל למרות ההתקדמות האחרונה בטיפול בחומר כדי לאפשר לו להיווצר לטרנזיסטור בצורה דומה לסיליקון, אף אחד עדיין לא הצליח לייצר מכשירים קטנים מספיק כדי לארוז במספרים גדולים יותר ויותר לתוך המיקרו-שבבים של מחר.

כעת הראו דל אלאמו, אנטוניאדיס ולין שאפשר לבנות טרנזיסטור אפקט-שדה של מוליכים למחצה מתכת-תחמוצת בגודל ננומטר (MOSFET) - הסוג הנפוץ ביותר ביישומי לוגיקה כמו מיקרו-מעבדים - באמצעות החומר. "הראינו שאתה יכול ליצור MOSFETs אינדיום גליום ארסניד קטנים במיוחד עם מאפיינים לוגיים מצוינים, מה שמבטיח לקחת את חוק מור מעבר להישג ידו של סיליקון", אומר דל אלאמו.

טרנזיסטורים מורכבים משלוש אלקטרודות: השער, המקור והניקוז, כאשר השער שולט בזרימת האלקטרונים בין השניים האחרים. מכיוון שהחלל בטרנזיסטורים הזעירים הללו כה צר, יש למקם את שלוש האלקטרודות בסמיכות רבה זו לזו, רמת דיוק שאפילו כלים מתוחכמים אינם יכולים להשיג. במקום זאת, הצוות מאפשר לשער "ליישר את עצמו" בין שתי האלקטרודות האחרות.

החוקרים מגדלים תחילה שכבה דקה של החומר באמצעות אפיטקסיה של קרן מולקולרית, תהליך בשימוש נרחב בתעשיית המוליכים למחצה, שבו אטומים מתאדים של אינדיום, גליום וארסן מגיבים זה עם זה בתוך ואקום ויוצרים תרכובת חד-גבישית. לאחר מכן הצוות מפקיד שכבה של מוליבדן כמתכת המגע של המקור והניקוז. לאחר מכן הם "מציירים" דפוס עדין במיוחד על המצע הזה באמצעות אלומת אלקטרונים ממוקדת - טכניקת ייצור מבוססת נוספת המכונה ליתוגרפיה של אלומת אלקטרונים.

אזורים לא רצויים של חומר נחרטים ואז תחמוצת השער מופקדת על הרווח הזעיר. לבסוף, מוליבדן מתאדה נורה על פני השטח, שם הוא יוצר את השער, סחוט בחוזקה בין שתי האלקטרודות האחרות, אומר דל אלאמו. "באמצעות שילוב של תחריט ותצהיר נוכל לשקם את השער [בין האלקטרודות] עם רווחים זעירים סביבו", הוא אומר.

למרות שרבות מהטכניקות המיושמות על ידי הצוות כבר נמצאות בשימוש בייצור סיליקון, הן שימשו רק לעתים רחוקות לייצור טרנזיסטורים מוליכים למחצה מורכבים. הסיבה לכך היא שבאפליקציות כמו תקשורת סיבים אופטיים, שטח הוא פחות בעיה. "אבל כשאתה מדבר על שילוב מיליארדי טרנזיסטורים זעירים בשבב, אז אנחנו צריכים לנסח מחדש לחלוטין את טכנולוגיית הייצור של טרנזיסטורים מוליכים למחצה מורכבים כדי להיראות הרבה יותר כמו של טרנזיסטורי סיליקון", אומר דל אלאמו.

הצעד הבא שלהם יהיה לעבוד על שיפור נוסף של הביצועים החשמליים - ומכאן את המהירות - של הטרנזיסטור על ידי ביטול התנגדות לא רצויה בתוך המכשיר. לאחר שהם השיגו זאת, הם ינסו לכווץ עוד יותר את המכשיר, במטרה בסופו של דבר להקטין את גודל הטרנזיסטור שלהם מתחת ל-10 ננומטר באורך השער.

המחקר מומן על ידי DARPA ותאגיד המחקר מוליכים למחצה.