Ny 4-D transistor er preview af fremtidige computere

(Phys.org)—En ny type transistor formet som et juletræ er ankommet lige i tide til højtiden, men prototypen vil ikke ligge under træet sammen med de andre gaver.

"Det er en forsmag på ting, der kommer i halvlederindustrien, " sagde Peide "Peter" Ye, en professor i elektro- og computerteknik ved Purdue University.

Forskere fra Purdue og Harvard universiteter skabte transistoren, som er lavet af et materiale, der kan erstatte silicium inden for et årti. Hver transistor indeholder tre bittesmå nanotråde lavet ikke af silicium, som konventionelle transistorer, men fra et materiale kaldet indium-gallium-arsenid. De tre nanotråde er gradvist mindre, giver et tilspidset tværsnit, der ligner et juletræ.

Forskningen bygger på tidligere arbejde, hvor holdet skabte en 3-D struktur i stedet for konventionelle flade transistorer. Tilgangen kunne gøre det muligt for ingeniører at bygge hurtigere, mere kompakte og effektive integrerede kredsløb og lettere bærbare computere, der genererer mindre varme end nutidens.

Nye resultater viser, hvordan man kan forbedre enhedens ydeevne ved at forbinde transistorerne lodret parallelt.

"Et en-etagers hus kan rumme så mange mennesker, men flere etager, flere folk, og det er det samme med transistorer, " sagde Ye. "At stable dem resulterer i mere aktuel og meget hurtigere drift til højhastighedsdatabehandling. Dette tilføjer en helt ny dimension, så jeg kalder dem 4-D."

Resultaterne vil blive beskrevet i to artikler, der vil blive præsenteret under International Electron Devices Meeting den 8.-12. december i San Francisco. Et af papirerne er blevet fremhævet af konferencearrangører som blandt "de mest nyhedsværdige emner og artikler, der skal præsenteres."

Arbejdet ledes af Purdue ph.d.-studerende Jiangjiang Gu og Harvard postdoc-forsker Xinwei Wang.

Den nyeste generation af silicium computerchips, introduceret i år, indeholder transistorer med en vertikal 3-D struktur i stedet for et konventionelt fladt design. Imidlertid, fordi silicium har en begrænset "elektronmobilitet" - hvor hurtigt elektroner flyder - vil der sandsynligvis snart blive brug for andre materialer for at fortsætte fremrykningen af ​​transistorer med denne 3-D tilgang, sagde du.

Indium-gallium-arsenid er blandt flere lovende halvledere, der undersøges for at erstatte silicium. Sådanne halvledere kaldes III-V materialer, fordi de kombinerer elementer fra den tredje og femte gruppe af det periodiske system.

Transistorer indeholder kritiske komponenter kaldet porte, som gør det muligt for enhederne at tænde og slukke og styre strømmen af ​​elektrisk strøm. Mindre porte muliggør hurtigere betjening. I nutidens 3-D siliciumtransistorer, længden af ​​disse porte er omkring 22 nanometer, eller milliardtedele af en meter.

3-D-designet er kritisk, fordi portlængder på 22 nanometer og mindre ikke fungerer godt i en flad transistorarkitektur. Ingeniører arbejder på at udvikle transistorer, der bruger endnu mindre portlængder; 14 nanometer forventes i 2015, og 10 nanometer i 2018.

Imidlertid, størrelsesreduktioner ud over 10 nanometer og yderligere ydeevneforbedringer er sandsynligvis ikke mulige ved brug af silicium, hvilket betyder, at der vil være brug for nye materialer for at fortsætte fremskridt, sagde du.

At skabe mindre transistorer vil også kræve at finde en ny type isolering, eller "dielektrisk" lag, der gør det muligt for porten at slukke. Da portlængder krymper mindre end 14 nanometer, det dielektrikum, der bruges i konventionelle transistorer, fungerer ikke korrekt og siges at "lække" elektrisk ladning, når transistoren er slukket.

Nanotråde i de nye transistorer er belagt med en anden type kompositisolator, et 4 nanometer tykt lag lanthanaluminat med en ultratynd, halv-nanometer lag af aluminiumoxid. Det nye ultratynde dielektrikum gjorde det muligt for forskere at skabe transistorer lavet af indium-gallium-arsenid med 20 nanometer porte, hvilket er en milepæl, sagde du.