Nanotråde lavet af anstrengt silicium viser, hvordan man kan holde stigninger i computerkraften på vej

(PhysOrg.com) -- Computere bliver ved med at blive mere kraftfulde, fordi siliciumtransistorer bliver ved med at blive mindre. Men den miniaturisering kan ikke fortsætte meget længere uden en ændring af transistorernes design, som har været nogenlunde det samme i 40 år.

En potentiel efterfølger til nutidens siliciumtransistorer er siliciumnanotråde, små filamenter af silicium ophængt som strengene på en guitar mellem elektrisk ledende puder. Men mens silicium nanotråde bestemt er små nok til at holde miniaturiseringen af ​​computerkredsløb på sporet, der har været tvivl om, hvorvidt de kan passere nok elektrisk strøm til højhastighedscomputere. Ved 2008's internationale elektronenhedsmøde, forskere ved MIT's Microsystems Technology Laboratories demonstrerede siliciumnanotråde med dobbelt så meget elektronmobilitet - som indikerer, hvor let strøm kan induceres - af deres forgængere. Nu, samme gruppe har vist, at de kan bygge chips, hvori op til fem højtydende nanotråde er stablet oven på hinanden. Det ville tillade nanotrådstransistorer at passere op til fem gange så meget strøm uden at optage mere areal på overfladen på chippen, et afgørende skridt i retning af at etablere levedygtigheden af ​​silicium-nanowire transistorer.

En transistor er dybest set en kontakt:når den er tændt, den sender en elektrisk strøm, og når den er slukket, det gør det ikke. At vende kontakten kræver opladning af en del af transistoren kaldet "gate". I dagens design, porten sidder oven på transistoren. Men hvis transistoren bliver lille nok, elektricitet vil lække over den, uanset om porten er opladet eller ej. Det bliver umuligt at slukke for kontakten.

Fordi silicium nanotråde er suspenderet i luft, porten kan vikles hele vejen rundt om dem, som isolering omkring en elektrisk ledning, hvilket forbedrer kontrollen af ​​kontakten. Men snæverheden af ​​nanotrådene begrænser mængden af ​​strøm, de kan passere.

Elektroteknikprofessor Judy Hoyt og hendes kandidatstuderende Pouya Hashemi og Leonardo Gomez forbedrede ydeevnen af ​​silicium-nanowire transistorer ved, i bund og grund, lirker siliciumets atomer lidt længere fra hinanden, end de ville være naturligt, som tillader elektroner at strømme gennem ledningerne mere frit. Sådan "strained silicium" har været en standard måde at forbedre ydeevnen af ​​konventionelle transistorer siden 2003. Men Hoyt var en af ​​de tidlige forskere på området.

"Fra begyndelsen af ​​1990'erne, hun har virkelig spillet en pionerrolle inden for anstrengt siliciumteknologi, ” siger Tahir Ghani, direktør for transistorteknologi og integration for Intels Technology and Manufacturing Group. "Hun gjorde en masse af dette banebrydende arbejde, der for første gang viste, at du kan opnå betydelige præstationsgevinster ved at implementere belastning i siliciumteknologi." Hoyt og hendes gruppes arbejde med nanotråde af spændt silicium, Ghani siger, "kombinerer de to nøgleelementer af transistorer" - ydeevne og pladseffektivitet - "som begge er meget nøglen til skalering i fremtiden. Og så fra det synspunkt, det gør det meget relevant for industrien.”

Håndtering af stress

At bygge deres stablede nanotrådstransistorer, MIT-forskerne begynder med en normal siliciumwafer, hvorpå de afsætter en silicium-germanium-komposit. Fordi germanium atomer er større end silicium atomer, afstandene mellem atomerne i silicium-germanium-laget er større, end de ville være i et lag af rent silicium. Når forskerne afsætter endnu et lag silicium oven på kompositten, siliciumatomerne forsøger at tilpasse sig atomerne under dem, så de, også, ender lidt længere fra hinanden.

Dette lag af spændt silicium er bundet til en anden siliciumwafer, og de andre lag fjernes, efterlader den anden wafer dækket med et basislag af spændt silicium. Forskerne stabler derefter skiftende lag af silicium-germanium og silicium oven på basislaget, overføre sin belastning til hvert efterfølgende lag af silicium. Ved at bruge en teknik kaldet elektronstrålelitografi, forskerne mønstrer fine linjer på stakkene og ætser derefter materialet væk mellem linjerne. Endelig, de ætser det resterende silicium-germanium væk, og de står tilbage med flere lag af ophængt silicium nanotråde. Hoyt og hendes elever har fremstillet nanotråde med en diameter på kun otte nanometer, som de beskrev i et papir fra 2009 i Institute of Electrical and Electronics Engineers tidsskrift Electron Device Letters; derimod de mindste elementer i nutidens computerchips er 45 nanometer på tværs.

Hoyt siger, at hendes gruppe kan skabe silicium med to gange den belastning, der ses i chips bygget af kommercielle leverandører. "Vi øger germaniumfraktionen af ​​det indledende lag, så vi bygger derfor mere stress ind i siliciumet, " siger Hoyt. I øvrigt, siger Hashemi, "vi er den eneste gruppe i verden, der har vist, at vi kan opretholde denne belastning efter suspension" - dvs. når de underliggende lag er skåret væk.

Indtil nu, Hoyts gruppe har bygget nanotrådstransistorer, hvor ladning bæres af bevægelige elektroner. Men for at maksimere beregningseffektiviteten, en standard computerchip bruger faktisk to typer transistorer. I den anden type, ladning føres af såkaldte huller. Et hul er simpelthen fraværet af en elektron i en krystal af halvledende materiale. Når en elektron glider over for at fylde hullet, den forlader sin egen plads i krystallen; en anden elektron glider over for at udfylde det sted; og så videre. På denne måde hullet bevæger sig i virkeligheden langs krystallens længde.

At øge mobiliteten af ​​huller i sådanne transistorer kræver en anden type belastning:Krystallens atomer skal faktisk klemmes tættere sammen, end det er behageligt. Så Hoyts gruppe arbejder nu på at bygge nanotråde fra en silicium-germanium-komposit, hvor mellemliggende lag af rent silicium forårsager kompression frem for spænding.