Кремниевые транзисторы, используемые для усиления и переключения сигналов, являются ключевым компонентом большинства электронных устройств – от смартфонов до автомобилей. Однако технология кремниевых полупроводников сталкивается с фундаментальным физическим ограничением, которое препятствует работе транзисторов при напряжении ниже определенного уровня.
Это ограничение, известное как «тирания Больцмана», снижает энергоэффективность компьютеров и другой электроники, особенно с учетом быстрого развития технологий искусственного интеллекта, требующих все большей вычислительной мощности.
В попытке преодолеть этот барьер исследователи Массачусетского технологического института создали новый тип трехмерного транзистора, используя уникальные ультратонкие полупроводниковые материалы.
Их устройства, оснащенные вертикальными нановолокнами шириной всего несколько нанометров, демонстрируют производительность, сопоставимую с лучшими кремниевыми транзисторами, но работают эффективно даже при значительно меньших напряжениях, чем традиционные приборы.
«Эта технология имеет потенциал заменить кремний, так что вы могли бы использовать ее со всеми функциями, которые сейчас выполняет кремний, но с гораздо лучшей энергоэффективностью», – говорит Яньцзе Шао, постдок Массачусетского технологического института и ведущий автор статьи о новых транзисторах.
Новые транзисторы используют квантово-механические свойства для достижения работы при низком напряжении и высокой производительности на площади всего нескольких квадратных нанометров. Их миниатюрные размеры позволят разместить больше таких трехмерных транзисторов на одном чипе, создавая быстрые и мощные электронные устройства с повышенной энергоэффективностью.
«Обычная физика имеет свои ограничения. Работа Яньцзе показывает, что мы можем добиться большего, но для этого необходимо использовать другую физику. Остается еще много вызовов, чтобы эта технология стала коммерчески доступной в будущем, но концептуально это действительно прорыв», – отмечает старший автор исследования Хесус дель Аламо, профессор инженерии кафедры электротехники и компьютерных наук Массачусетского технологического института.
Соавторами статьи стали Джу Ли, профессор ядерной инженерии и материаловедения в MIT; аспирант кафедры электротехники и компьютерных наук Хао Тан; постдок Баомин Ван; а также профессора Марко Пала и Дэвид Эссени из Университета Удине в Италии. Результаты исследования опубликованы сегодня в журнале Nature Electronics.
Преодолевая пределы кремния
Склон перехода транзистора отражает резкость перехода от состояния «выключено» к состоянию «включено». Чем круче склон, тем меньше напряжение требуется для включения транзистора и выше его энергоэффективность.
Однако из-за того, как электроны пересекают энергетический барьер, тирания Больцмана требует минимального напряжения для переключения транзистора при комнатной температуре.
Чтобы преодолеть физические ограничения кремния, исследователи из MIT использовали другие полупроводниковые материалы — антимонид галлия и арсенид индия — и разработали свои устройства таким образом, чтобы использовать уникальное явление в квантовой механике, называемое квантовым туннелированием.
Квантовое туннелирование — это способность электронов проникать через барьеры. Исследователи создали туннельные транзисторы, которые используют эту особенность, стимулируя электроны проходить сквозь энергетический барьер вместо того, чтобы преодолевать его.
«Теперь устройство можно легко включать и выключать», — объясняет Шао.
Хотя туннельные транзисторы позволяют создавать крутые склоны переключения, они обычно работают при низкой силе тока, что затрудняет работу электронного устройства. Более высокий ток необходим для создания мощных транзисторных переключателей для требовательных приложений.
Точная фабрикация
Склон перехода транзистора отражает резкость перехода от состояния «выключено» к состоянию «включено». Чем круче склон, тем меньше напряжение требуется для включения транзистора и выше его энергоэффективность.
Однако из-за того, как электроны пересекают энергетический барьер, тирания Больцмана требует минимального напряжения для переключения транзистора при комнатной температуре.
Чтобы преодолеть физические ограничения кремния, исследователи из MIT использовали другие полупроводниковые материалы — антимонид галлия и арсенид индия — и разработали свои устройства таким образом, чтобы использовать уникальное явление в квантовой механике, называемое квантовым туннелированием.
Квантовое туннелирование — это способность электронов проникать через барьеры. Исследователи создали туннельные транзисторы, которые используют эту особенность, стимулируя электроны проходить сквозь энергетический барьер вместо того, чтобы преодолевать его.
«Теперь устройство можно легко включать и выключать», — объясняет Шао.
Хотя туннельные транзисторы позволяют создавать крутые склоны переключения, они обычно работают при низкой силе тока, что затрудняет работу электронного устройства. Более высокий ток необходим для создания мощных транзисторных переключателей для требовательных приложений.
Используя инструменты в MIT.nano, современной лаборатории MIT для исследований на наномасштабе, инженеры смогли тщательно контролировать трёхмерную геометрию своих транзисторов, создавая вертикальные наноструктуры диаметром всего 6 нанометров. Они считают, что это самые маленькие трёхмерные транзисторы, о которых сообщалось на сегодняшний день.
Такая точная инженерия позволила им одновременно достичь крутого наклона переключения и высокого тока. Это стало возможным благодаря явлению, известному как квантовое ограничение.
Квантовое ограничение происходит, когда электрон ограничен пространством настолько малым, что он не может двигаться. Когда это происходит, эффективная масса электрона и свойства материала изменяются, позволяя более сильному туннелированию электрона через барьер.
Поскольку транзисторы такие маленькие, исследователи могут создать очень сильный эффект квантового ограничения, одновременно изготавливая чрезвычайно тонкий барьер.
«У нас есть большая гибкость в проектировании этих гетероструктур, поэтому мы можем получить очень тонкий туннельный барьер, что позволяет нам получать очень высокую силу тока», — говорит Шао.
Точное изготовление устройств, достаточно маленьких для выполнения этой задачи, было серьезной проблемой.
«Мы работаем с размерами в пределах одного нанометра. Очень немногие группы в мире способны создавать хорошие транзисторы в этом диапазоне. Яньцзе обладает исключительными способностями для создания таких хорошо функционирующих транзисторов, которые настолько крошечные», — добавляет дель Аламо.
Когда исследователи тестировали свои устройства, крутизна переходного склона была ниже фундаментального предела, которого можно достичь с помощью обычных кремниевых транзисторов. Их устройства также работали примерно в 20 раз лучше, чем аналогичные туннельные транзисторы.
«Впервые нам удалось достичь такой четкости переключения с этим дизайном», — добавляет Шао.
Сейчас исследователи стремятся улучшить методы изготовления, чтобы сделать транзисторы более однородными по всему чипу. С такими маленькими устройствами даже отклонение в 1 нанометр может изменить поведение электронов и повлиять на работу устройства. Они также исследуют структуры в виде вертикальных ребер, помимо вертикальных нанотранзисторных структур, которые потенциально могут повысить однородность устройств на чипе.
«Эта работа определенно движется в правильном направлении, существенно улучшая характеристики туннельного полевого транзистора с разрывным зазором (TFET). Она демонстрирует крутой наклон вместе с рекордной силой тока. В ней подчеркивается важность малых размеров, экстремальной локализации и низко дефектных материалов и интерфейсов в изготовленном туннельном полевом транзисторе с разрывным зазором. Эти особенности были реализованы посредством хорошо освоенного процесса контроля размера на уровне нанометров», — говорит Арьян Афзалян, главный технический сотрудник исследовательской организации в области наноэлектроники imec, который не участвовал в данной работе.