211service.com
Poza krzemem
W zeszłym tygodniu, na odbywającym się co pół roku forum Intel Developer Forum w San Francisco, producent chipów Intel ogłosił tranzystor wykonany z materiału zwanego antymonkiem indu (InSb), który miał imponujące statystyki: był taktowany 1,5 razy szybciej niż tranzystory krzemowe i zużył jedną dziesiątą mocy.
Według dyrektora ds. strategii technologicznej Intela, Paolo Gargini, który przedstawił wyniki, odejście od krzemu może mieć kluczowe znaczenie dla przemysłu produkującego chipy, dzięki czemu może on budować mniejsze urządzenia w ciągu najbliższych kilku dekad. Ponieważ tranzystory wykonane z krzemu kurczą się, ograniczenia materiału stają się coraz bardziej widoczne. Krzem nie jest najlepszym półprzewodnikiem, mówi Gargini.
Ale oczywiście krzem jest zarówno bardzo rozpowszechniony, jak i stosunkowo niedrogi, a jego proces produkcyjny jest doskonalony od 30 lat. To, co sprawia, że tak zwane półprzewodniki złożone – złożone z więcej niż jednego pierwiastka, takie jak antymonek indu – są tak atrakcyjne, to ich specjalne właściwości elektryczne i optyczne.
Elektrony mogą przechodzić przez kryształ antymonku indu 50 razy szybciej niż przez kryształ krzemu, mówi Gargini. W rezultacie operacje elektroniczne są nie tylko znacznie szybsze, ale do wypchnięcia elektronów potrzeba mniej energii.
Półprzewodniki złożone mają również właściwości optyczne, które mogą przyspieszyć komunikację między tranzystorami na chipie a wieloma chipami w urządzeniu. Materiały te łatwo emitują i wykrywają światło – cecha, która była badana i ulepszana przez dziesięciolecia, mówi David Hodges , inżynier elektryk na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Dlatego, jak mówi, emitery światła i detektory wykonane z materiałów złożonych mogą potencjalnie zastąpić przewody miedziane, które są głównym ograniczeniem prędkości.
Materiały złożone mają jednak również swoje wady. Obecnie na płytkach krzemowych, które mogą mieć średnicę nawet 12 cali, wytwarza się jednocześnie setki miliardów tranzystorów. Kryształy materiałów złożonych, takich jak antymonek indu (InSb), arsenek galu (GaAs), arsenek indu (InAs) i arsenek indu galu (InGaAs), mają tendencję do łatwego rozpadu i dlatego nie można ich przekształcić w takie duże wafle, mówi Gargini. Oznacza to, że materiały złożone nigdy nie mogłyby całkowicie zastąpić krzemu jako podstawy wafla dla urządzeń elektrycznych, mówi.
Zamiast tego na krzemowym podłożu o dużej średnicy muszą być umieszczone wyspy tranzystorów InSb. Jednak osadzanie tranzystorów z antymonkiem indu na krzemie stwarza dodatkowe wyzwanie. Atomy w krysztale krzemu są oddalone od siebie o 0,543 nanometrów, podczas gdy atomy w antymonku indu są oddalone od siebie o 0,648 nanometrów. Z powodu tego niedopasowania, gdy dwa materiały są umieszczone obok siebie, nie wszystkie atomy na interfejsie łączą się ze sobą, co skutkuje nieskutecznymi urządzeniami.
Sposobem na pokonanie tego, wyjaśnia Gargini, jest dodanie cienkich warstw materiałów buforowych do krzemu, które mają podobny do niego odstęp między atomami, a następnie stopniowe dostosowywanie składu chemicznego warstw buforowych, aż do uzyskania odstępu między atomami podobnego do indu. antymonek. Jak mówi, znalezienie idealnych proporcji chemicznych, aby zapewnić najlepsze warstwy buforowe, będzie jednym z głównych wyzwań w integracji antymonku indu na istniejącej platformie krzemowej Intela.
Oprócz znalezienia najlepszego bufora dla wysp InSb na płytce krzemowej, według Jezus del Alamo , inżynier elektryk z MIT, który specjalizuje się w mikroelektronice, inżynierowie muszą również wziąć pod uwagę warstwę izolacyjną, dielektryk bramki, na górze tranzystora, co ma kluczowe znaczenie dla działania elektrycznego urządzenia. Obecnie tranzystory krzemowe wykorzystują warstwę dwutlenku krzemu jako dielektryk bramki. Jednak w przypadku półprzewodników złożonych dwutlenek krzemu nie działa jako materiał izolacyjny, mówi del Alamo. Jakość interfejsu między złożonymi półprzewodnikami a dwutlenkiem krzemu nie jest wystarczająco dobra, a stała dielektryczna dwutlenku krzemu jest zbyt mała. Dlatego trzeba będzie opracować zupełnie nową klasę wysokiej jakości dielektryków bramkowych. To będzie ogromne wyzwanie, mówi.
Del Alamo nadal jednak wierzy, że takie przeszkody zostaną pokonane w miarę dojrzewania pola. Jestem bardzo optymistyczny, że wymyślimy te przełomowe rozwiązania, mówi.
Gargini z Intela spodziewa się, że technologia, którą Intel zaczął badać około trzy lata temu, zostanie skierowana do produkcji w ciągu kolejnej dekady. Podkreśla również, że złożone półprzewodniki to tylko jedna z wielu możliwości dla przyszłych mikroprocesorów. W rzeczywistości Intel ma wiele pomysłów, od litografii w skrajnym ultrafiolecie, przez zmniejszanie tranzystorów krzemowych, po opracowywanie krzemowych laserów, modulatorów i detektorów, w których do przesyłania danych w chipie można by wykorzystać wiązki światła zamiast miedzianych przewodów. (zobacz Przełom firmy Intel ). Nie oczekuj [półprzewodników złożonych] w produkcie jutro, mówi Gargini. Ale jest w przygotowaniu.
Zdjęcie strony głównej dzięki uprzejmości Jesus del Alamo, inżyniera elektryka z wydziału elektrotechniki i informatyki, MIT. Podpis: Układ z tranzystorami i strukturami testowymi wykonanymi ze złożonego półprzewodnikowego arsenku indu galu (InGaAs). Chip służy do diagnozowania pracy urządzenia.