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Il lungo addio del silicio
Nei prossimi decenni, i produttori di chip non saranno più in grado di rendere più veloci i chip di silicio inserendo transistor più piccoli su un chip. Questo perché i transistor al silicio saranno semplicemente troppo perdenti e costosi per essere rimpiccioliti.
Nanoribbons: Strisce di arseniuro di indio sono state incise chimicamente in modo che si liberino dalla superficie sottostante. Possono quindi essere trasferiti su wafer di silicio per realizzare transistor veloci e a bassa potenza.
Le persone che lavorano su materiali che potrebbero avere successo con il silicio devono superare molte sfide. Ora i ricercatori dell'Università della California, Berkeley, hanno trovato un modo per superare uno di questi ostacoli: hanno sviluppato un modo affidabile per realizzare transistor nanoscopici veloci, a bassa potenza, da un materiale semiconduttore composto. Il loro metodo è più semplice e promette di essere meno costoso di quelli esistenti.
I semiconduttori composti hanno proprietà elettriche migliori rispetto al silicio, il che significa che i transistor realizzati con essi richiedono meno energia per funzionare a velocità più elevate. Questi materiali sono già presenti in alcune costose applicazioni di nicchia come le apparecchiature di telecomunicazione militari, che danno loro un vantaggio rispetto a potenziali sostituzioni di silicio più esotiche come il grafene e i nanotubi di carbonio.
Ma i wafer di materiali semiconduttori composti sono anche molto fragili e costosi, il che va bene solo dove il costo non conta, afferma Ali Javey , professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della California, Berkeley. I semiconduttori composti sono presenti sul mercato in costosi chip di comunicazione per l'esercito, ad esempio.
I ricercatori ritengono di poter superare questa fragilità e questa spesa facendo crescere transistor semiconduttori composti su un wafer di silicio di supporto, un trucco che dovrebbe essere compatibile con l'infrastruttura di produzione esistente.
Tuttavia, i semiconduttori composti non possono essere coltivati sul silicio: c'è una discrepanza tra le strutture cristalline dei due materiali che rende difficile farlo bene. Il gruppo di Berkeley ha ora dimostrato che i transistor realizzati con semiconduttori composti possono essere coltivati su un'altra superficie e quindi trasferiti su un wafer di silicio. Questo è un percorso plausibile per affrontare il fatto che i semiconduttori composti sono difficili da coltivare, afferma Gesù dell'Alamo , professore di ingegneria elettrica e informatica al MIT che non era coinvolto nel lavoro di Javey.
I ricercatori di Berkeley hanno dimostrato la loro tecnica utilizzando l'arseniuro di indio. Coltivano il materiale sopra un wafer di antimonide di gallio protetto da uno strato superiore sacrificale di antimonide di gallio di alluminio. Il wafer consente la crescita di un film cristallino di indio-arseniuro di alta qualità e lo strato sacrificale può quindi essere attaccato chimicamente, rilasciando strisce di indio-arseniuro su scala nanometrica. I ricercatori raccolgono i nanonastri con un timbro di gomma e li posizionano sopra il wafer di silicio. Il silicio fornisce supporto strutturale per l'arseniuro di indio. È rivestito con biossido di silicio, che fungerà da isolante nei transistor. I transistor sono completati fissando cancelli metallici per portare l'elettricità in entrata e in uscita.
Il gruppo di Javey descrive le prestazioni dei transistor all'arseniuro di indio realizzati in questo modo in un articolo pubblicato online la scorsa settimana sulla rivista Natura . I transistor, lunghi 500 nanometri, hanno le stesse prestazioni dei transistor a semiconduttore composti realizzati con tecniche più complesse, afferma Javey. E i transistor all'arseniuro di indio del gruppo di Berkeley sono molto più veloci dei loro equivalenti in silicio, pur richiedendo meno energia: mezzo volt rispetto a 3,3 volt. La loro transconduttanza, la loro reattività ai cambiamenti di tensione, è otto volte migliore di quella di un transistor al silicio di queste dimensioni. Dato come sono stati preparati questi dispositivi, questa prestazione è piuttosto impressionante, afferma il professore di ingegneria elettrica del MIT Dmitri Antoniadis .
Javey osserva che il processo necessario per realizzare i transistor in arseniuro di indio è simile a quello utilizzato per realizzare una classe di chip chiamata elettronica silicio su isolante (SOI), che richiede il posizionamento di una fetta di silicio su un wafer di un altro materiale durante la produzione. Per questo motivo li ha chiamati XOI, qualsiasi cosa sull'isolante.
Il processo per realizzare i dispositivi XOI su scala wafer sarebbe più complesso del SOI perché potrebbe richiedere l'integrazione di diversi tipi di materiali costruiti su wafer di dimensioni diverse, afferma Michael Mayberry , direttore della ricerca sui componenti presso Intel. Ci sono molti modi in cui il processo potrebbe andare storto, dice. Negli ultimi tre anni, Intel ha lavorato sui processi per la crescita di semiconduttori composti direttamente su wafer di silicio, sviluppando uno strato buffer tra di essi. Finora, devono utilizzare un buffer molto spesso che impedisce le prestazioni dei transistor, ma Mayberry afferma di aver dimostrato che il concetto può funzionare.
Il valore del lavoro di Javey, afferma Mayberry, è che dimostra che i transistor all'arseniuro di indio funzionano bene quando ridotti alla nanoscala. Non sappiamo come si comporteranno questi dispositivi, dice. I teorici hanno fatto delle ipotesi, dice, ma su scala nanometrica possono sorgere effetti quantistici inaspettati.
Javey ha intenzione di rendere i transistor molto più piccoli e vedere se mantengono le loro prestazioni. Del Alamo e Antoniadis del MIT stanno cercando di determinare il ridimensionamento definitivo dei transistor a semiconduttore composto; la coppia ha realizzato transistor lunghi 30 nanometri. Mi piacerebbe vedere quale perfezione dei materiali può essere raggiunta su piccola scala, dice Antoniadis.