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Oltre il silicio
La scorsa settimana, al semestrale Intel Developer Forum di San Francisco, il produttore di chip Intel ha annunciato un transistor realizzato con un materiale chiamato antimonide di indio (InSb) che aveva alcune statistiche impressionanti: aveva un clock di 1,5 volte la velocità dei transistor a base di silicio e usato un decimo della potenza.
Secondo il direttore della strategia tecnologica di Intel, Paolo Gargini, che ha presentato i risultati, il passaggio dal silicio potrebbe essere cruciale per l'industria dei chip, in modo che possa costruire dispositivi più piccoli nei prossimi due decenni. Man mano che i transistor in silicio continuano a ridursi, i limiti del materiale stanno diventando più evidenti. Il silicio non è il miglior semiconduttore, dice Gargini.
Ma ovviamente il silicio è molto diffuso e relativamente poco costoso, e il suo processo di produzione è stato affinato per 30 anni. Ciò che rende i cosiddetti semiconduttori composti - quelli costituiti da più di un elemento, come l'antimonide di indio - così attraenti sono le loro speciali proprietà elettriche e ottiche.
Gli elettroni possono passare attraverso un cristallo di antimonide di indio 50 volte più velocemente che attraverso un cristallo di silicio, dice Gargini. Di conseguenza, non solo le operazioni elettroniche sono notevolmente più veloci, ma è necessaria meno potenza per spingere gli elettroni.
I semiconduttori composti hanno anche proprietà ottiche che potrebbero aiutare ad accelerare la comunicazione tra i transistor su un chip e più chip all'interno di un dispositivo. Questi materiali emettono e rilevano facilmente la luce, una caratteristica che è stata studiata e migliorata per decenni, afferma David Hodges , ingegnere elettrico presso l'Università della California, Berkeley. Pertanto, afferma, gli emettitori di luce e i rilevatori realizzati con materiali compositi potrebbero potenzialmente sostituire i fili di rame, che sono un grave ostacolo alla velocità.
Tuttavia, anche i materiali compositi hanno i loro svantaggi. Attualmente, centinaia di miliardi di transistor sono prodotti alla volta su wafer di silicio che possono avere un diametro di 12 pollici. I cristalli di materiali composti, come l'antimoniuro di indio (InSb), l'arseniuro di gallio (GaAs), l'arseniuro di indio (InAs) e l'arseniuro di indio e gallio (InGaAs), tendono a rompersi facilmente e quindi non possono essere trasformati in cialde così grandi, dice Gargini. Ciò significa che i materiali compositi non potrebbero mai sostituire completamente il silicio come base di wafer per i dispositivi elettrici, afferma.
Sul substrato di silicio di grande diametro devono invece essere depositate isole di transistor InSb. Ma depositare transistor di antimoniuro di indio sul silicio crea un'ulteriore sfida. Gli atomi in un cristallo di silicio sono distanziati di 0,543 nanometri, mentre gli atomi nell'antimonide di indio sono distanziati di 0,648 nanometri. A causa di questa discrepanza, quando i due materiali sono posti uno accanto all'altro, non tutti gli atomi all'interfaccia si legano insieme, risultando in dispositivi inefficaci.
Il modo per superare questo problema, spiega Gargini, è aggiungere sottili strati di materiali tampone sul silicio che hanno una distanza tra gli atomi simile ad esso, quindi regolare gradualmente le composizioni chimiche degli strati tampone, fino a quando non hanno una distanza tra gli atomi simile a quella dell'indio antimonide. Trovare i rapporti chimici ideali per fornire i migliori strati tampone sarà una delle principali sfide per l'integrazione dell'antimonide di indio sulla piattaforma di silicio esistente di Intel, afferma.
Oltre a trovare il miglior buffer per le isole InSb sul wafer di silicio, secondo Gesù del Alamo , un ingegnere elettrico del MIT specializzato in microelettronica, gli ingegneri devono anche considerare lo strato isolante, il dielettrico di gate, sopra il transistor, che è cruciale per le operazioni elettriche del dispositivo. Attualmente, i transistor al silicio utilizzano uno strato di biossido di silicio come dielettrico di gate. Per i semiconduttori composti, tuttavia, il biossido di silicio non funziona come materiale isolante, afferma del Alamo. La qualità dell'interfaccia tra semiconduttori composti e biossido di silicio non è abbastanza buona e la costante dielettrica del biossido di silicio è troppo piccola. Pertanto, sarà necessario sviluppare un'intera nuova classe di dielettrici di gate di alta qualità. Sarà una grande sfida, dice.
Del Alamo crede ancora, tuttavia, che tali ostacoli saranno superati con la maturazione del campo. Sono molto ottimista sul fatto che arriveremo a queste scoperte, dice.
Gargini di Intel prevede che la tecnologia, che Intel ha iniziato a ricercare circa tre anni fa, si sposterà verso la produzione in circa un altro decennio. Sottolinea inoltre che i semiconduttori composti sono solo una delle numerose possibilità per i futuri microprocessori. In effetti, Intel ha molte idee in cantiere, dalla litografia ultravioletta estrema, per rendere più piccoli i transistor al silicio, allo sviluppo di laser, modulatori e rilevatori al silicio, in cui i fasci di luce invece dei fili di rame potrebbero essere utilizzati per trasmettere dati all'interno di un chip. (vedi la svolta di Intel). Non aspettarti [semiconduttori composti] in un prodotto domani, dice Gargini. Ma è in cantiere.
Immagine della home page per gentile concessione di Jesus del Alamo, ingegnere elettrico, dipartimento di ingegneria elettrica e informatica, MIT. Didascalia: Chip con transistor e strutture di test realizzate con il semiconduttore composto arseniuro di indio e gallio (InGaAs). Il chip viene utilizzato per diagnosticare le operazioni del dispositivo.