(PhysOrg.com) -- Computers worden steeds krachtiger omdat siliciumtransistors steeds kleiner worden. Maar die miniaturisering kan niet veel verder gaan zonder een verandering in het ontwerp van de transistors, die al 40 jaar min of meer hetzelfde is gebleven.

Een mogelijke opvolger van de huidige siliciumtransistors zijn siliciumnanodraden, kleine filamenten van silicium hangen als de snaren van een gitaar tussen elektrisch geleidende pads. Maar hoewel silicium nanodraden zeker klein genoeg zijn om de miniaturisatie van computercircuits op schema te houden, er is twijfel of ze voldoende elektrische stroom kunnen doorgeven voor high-speed computing. Tijdens de International Electron Device Meeting van 2008, onderzoekers van MIT's Microsystems Technology Laboratories demonstreerden silicium nanodraden met tweemaal de elektronenmobiliteit - wat aangeeft hoe gemakkelijk stroom kan worden geïnduceerd - van hun voorgangers. Nutsvoorzieningen, dezelfde groep heeft laten zien dat ze chips kunnen bouwen waarin maximaal vijf hoogwaardige nanodraden op elkaar worden gestapeld. Dat zou nanodraadtransistors in staat stellen tot vijf keer zoveel stroom door te laten zonder meer oppervlakte op het oppervlak van de chip in beslag te nemen. een cruciale stap in de richting van het vaststellen van de levensvatbaarheid van silicium-nanodraadtransistors.

Een transistor is in feite een schakelaar:als hij aan staat, het passeert een elektrische stroom, en als het uit is, dat doet het niet. Om de schakelaar om te zetten, moet een deel van de transistor worden opgeladen dat de "poort" wordt genoemd. In het ontwerp van vandaag, de poort zit bovenop de transistor. Maar als de transistor klein genoeg wordt, er zal elektriciteit overheen lekken, of de poort nu is opgeladen of niet. Het uitschakelen van de schakelaar wordt onmogelijk.

Omdat silicium nanodraden in de lucht hangen, de poort kan helemaal om hen heen worden gewikkeld, zoals isolatie rond een elektrische draad, wat de controle over de schakelaar verbetert. Maar de smalheid van de nanodraden beperkt de hoeveelheid stroom die ze kunnen passeren.

Professor in elektrotechniek Judy Hoyt en haar afstudeerstudenten Pouya Hashemi en Leonardo Gomez verbeterden de prestaties van silicium-nanodraadtransistoren door, in principe, de atomen van het silicium iets verder uit elkaar wrikken dan ze van nature zouden zijn, waardoor elektronen vrijer door de draden kunnen stromen. Dergelijk "gespannen silicium" is sinds 2003 een standaardmanier om de prestaties van conventionele transistors te verbeteren. Maar Hoyt was een van de eerste onderzoekers in het veld.

“Vanaf het begin van de jaren negentig ze heeft echt een pioniersrol gespeeld in de technologie van gespannen silicium, " zegt Tahir Ghani, directeur van transistortechnologie en integratie voor Intel's Technology and Manufacturing Group. "Ze deed veel van dit baanbrekende werk dat voor het eerst aantoonde dat je aanzienlijke prestatieverbeteringen kunt behalen door spanning in siliciumtechnologie te implementeren." Hoyt en het werk van haar groep aan nanodraden van gespannen silicium, Ghani zegt, "combineert de twee belangrijkste elementen van transistors" - prestaties en ruimte-efficiëntie - "die beide zeer belangrijk zijn voor schaalvergroting in de toekomst. En dus vanuit dat standpunt het maakt het zeer relevant voor de industrie.”

Omgaan met stress

Om hun gestapelde nanodraadtransistors te bouwen, de MIT-onderzoekers beginnen met een normale siliciumwafel, waarop ze een silicium-germaniumcomposiet afzetten. Omdat germaniumatomen groter zijn dan siliciumatomen, de afstanden tussen atomen in de silicium-germaniumlaag zijn groter dan in een laag puur silicium. Toen de onderzoekers nog een laag silicium op de composiet afzetten, de siliciumatomen proberen zich uit te lijnen met de atomen eronder, dus zij, te, uiteindelijk iets verder uit elkaar staan.

Deze laag gespannen silicium is gebonden aan een tweede siliciumwafel, en de andere lagen worden verwijderd, waardoor de tweede wafel bedekt is met een basislaag van gespannen silicium. De onderzoekers stapelen vervolgens afwisselende lagen silicium-germanium en silicium op de basislaag, het doorgeven van de spanning op elke opeenvolgende laag silicium. Met behulp van een techniek genaamd elektronenstraallithografie, de onderzoekers tekenen fijne lijntjes op de stapels en etsen vervolgens het materiaal tussen de lijnen weg. Eindelijk, ze etsen het resterende siliciumgermanium weg, en ze blijven achter met verschillende lagen gesuspendeerde silicium nanodraden. Hoyt en haar studenten hebben nanodraden gemaakt met een diameter van slechts acht nanometer, die ze beschreven in een paper uit 2009 in het tijdschrift Electron Device Letters van het Institute of Electrical and Electronics Engineers; daarentegen, de kleinste elementen van de huidige computerchips zijn 45 nanometer groot.

Hoyt zegt dat haar groep silicium kan maken met twee keer de spanning die wordt gezien in chips die zijn gebouwd door commerciële leveranciers. “We verhogen de germaniumfractie van de initiële laag, dus we bouwen daarom meer spanning in het silicium, ', zegt Hoyt. Bovendien, zegt Hashemi, "wij zijn de enige groep ter wereld die heeft aangetoond dat we deze soort kunnen behouden na schorsing" - dat wil zeggen, nadat de onderliggende lagen zijn weggesneden.

Tot dusver, Hoyts groep heeft nanodraadtransistors gebouwd waarin lading wordt gedragen door bewegende elektronen. Maar om de rekenefficiëntie te maximaliseren, een standaard computerchip gebruikt in feite twee soorten transistors. Bij de andere soort lading wordt gedragen door zogenaamde gaten. Een gat is simpelweg de afwezigheid van een elektron in een kristal van halfgeleidend materiaal. Wanneer een elektron naar voren schuift om het gat te vullen, het ontruimt zijn eigen plek in het kristal; een ander elektron schuift over om die plek te vullen; enzovoort. Op deze manier, het gat beweegt in feite langs de lengte van het kristal.

Het vergroten van de mobiliteit van gaten in dergelijke transistors vereist een ander soort spanning:de atomen van het kristal moeten eigenlijk dichter bij elkaar worden geklemd dan comfortabel is. Dus de groep van Hoyt werkt nu aan het bouwen van nanodraden van een silicium-germaniumcomposiet, waar tussenliggende lagen van puur silicium compressie veroorzaken in plaats van spanning.