Računalni tranzistori uskoro bez silicija

Desetljećima je jedan materijal toliko dominirao u proizvodnji računalnih čipova i tranzistora da tehnološka prijestolnica svijeta, Silicijska dolina, po njemu nosi svoje ime.

Istraživači MIT-a otkrili su da legura nazvana InGaAs (indij galij arsenid) ima veliki potencijal za manje i energetski učinkovitije tranzistore. Prije toga, istraživači su mislili da se performanse InGaAs tranzistora pogoršavaju na maloj nanoskali, no nova studija pokazuje da to pogoršanje nije suštinsko svojstvo samog materijala.

"Zaista smo uzbuđeni", rekla je Xiaowei Cai, vodeća autorica studije. "Nadamo se da će ovaj rezultat potaknuti zajednicu da nastavi istraživati ​​upotrebu InGaAs kao materijala za tranzistore."

Cai, koja sada sada radi u američkoj multinacionalnoj poluvodičkoj tvrtki Analog Devices, završila je ovo istraživanje kao doktorandica na MIT Microsystems Technology Laboratories i Odjelu za elektrotehniku ​​i računalne znanosti (EECS), s  profesorom Jesúsom del Alamom. Među koautorima su Jesús Grajal s Politehničkog sveučilišta u Madridu, kao i Alon Vardi i del Alamo s MIT-a. Rad će biti predstavljen ovog mjeseca na virtualnom sastanku IEEE International Electron Devices.

Tranzistori su građevni blokovi računala. Njihova uloga prekidača, bilo zaustavljanja električne struje ili puštanja da teče, daje zapanjujući niz računanja - od simulacije globalne klime do reprodukcije videozapisa mačaka na Youtubeu. Jedan prijenosnik može sadržavati milijarde tranzistora, a da bi se računalna snaga poboljšavala u budućnosti, kao što je to bio slučaj desetljećima, elektroinženjeri će morati razviti manje, gusto spakirane tranzistore. Silicij je već odavno odabran za poluvodičke materijale za tranzistore, no InGaAs je pokazao nagovještaje da će postati potencijalni konkurent.

Elektroni se lako mogu provući kroz InGaAs, čak i pri niskom naponu. Poznato je da materijal ima velika svojstva prijenosa [elektrona], kaže Cai. InGaAs tranzistori mogu brzo obrađivati ​​signale, što potencijalno rezultira bržim proračunima. Osim toga, InGaAs tranzistori mogu raditi na relativno niskom naponu, što znači da bi mogli poboljšati energetsku učinkovitost računala.

No, čini se da se povoljna svojstva prijenosa elektrona u InGaAs pogoršavaju na nanoskali potrebnoj za izgradnju bržih i gušćih računalnih procesora. Problem je naveo neke istraživače da zaključe kako nanorazmjerni InGaAs tranzistori jednostavno nisu prikladni za taj zadatak. Ali, kaže Cai, "otkrili smo da je to zabluda."

Tim je otkrio da su problemi s performansama InGaAsa dijelom posljedica hvatanja oksida. Ova pojava uzrokuje zaglavljivanje elektrona tijekom pokušaja protoka kroz tranzistor.

“Tranzistor bi trebao raditi kao prekidač. Želite biti u mogućnosti uključiti napon i imati puno struje ”, kaže Cai. „Ali ako imate zarobljene elektrone, ono što se dogodi je da uključite napon, ali u kanalu imate samo vrlo ograničenu količinu struje. Dakle, sposobnost prebacivanja puno je manja kada imate to zarobljavanje oksida. "

Caijin tim odredio je zarobljavanje oksida kao krivca proučavajući brzinu kojom se električni impulsi šalju kroz tranzistor. Na niskim frekvencijama, performanse nanorazmjernih tranzistora InGaAs izgledale su pogoršane. Ali na frekvencijama od 1 gigaherca ili većim, radili su sasvim u redu - zarobljavanje oksida više nije bilo smetnja. "Kada radimo s ovim uređajima na vrlo visokim frekvencijama, primijetili smo da su performanse zaista dobre", kaže ona. "Oni su konkurentni silicijskoj tehnologiji."

Cai se nada da će otkriće njezinog tima pružiti istraživačima novi razlog za bavljenje računalnim tranzistorima temeljenim na InGaAs leguri. „Rad pokazuje da problem koji treba riješiti zapravo nije sam tranzistor InGaAs. To je problem hvatanja oksida“ - kaže Cai. "Vjerujemo da je ovo problem koji se može riješiti, a InGaAs se pokazao obećavajući i u klasičnom i u kvantnom računalstvu“.

Hoće li ovo dovesti do neke nove InGaAs doline tek trebamo vidjeti, pa silicij još uvijek ne trebamo otpisati.

Izvor: MIT