"Деформированный" кремний – будущее высокопроизводительных чипов

Фото с сайта www.3dnews.ru

С уменьшением размеров транзисторов в чипах производительность вычислительных систем постоянно повышается, однако без модификации конструкции этих элементов, которая оставалась практически неизменной уже в течение 40 лет, отрасль рано или поздно встретится с большими сложностями. Один из многообещающих методов разрешения проблемы – это кремниевые нанопроводники, представляющие собой крошечные нити из кремния, натянутые словно струны гитары между проводящими электричество площадками. Но если их габариты позволяют говорить о продолжении миниатюризации компьютерных схем, то относительно их способности пропускать нужное количество зарядов высказывались некоторые сомнения.

Тестовые структуры из нанопроводников с разным количеством уровней

В 2008 году исследователи из Лаборатории технологий микросистем Массачусетского технологического института (MIT’s Microsystems Technology Laboratories) продемонстрировали кремниевые нанопроводники с удвоенной электронной мобильностью по сравнению с предшествующими материалами. Теперь та же группа показала возможность создания чипов, где до пяти высокопроизводительных напопроводников расположены друг над другом. Благодаря этому нанотранзисторы смогут пропускать, соответственно, в пять раз больший ток без увеличения занимаемой на чипе площади – значительный шаг на пути к получению пригодных для продолжения следования известному Закону Мура электронных компонентов. По сути, транзистор – это переключатель: когда он находится во включённом состоянии, заряды проходят, когда он выключен – нет. Для изменения состоянии часть транзистора – затвор – должна получить некоторый заряд. В применяющейся сегодня конструкции он расположен в верхней области элемента, но при пересечении некоторого предела в снижении его размеров будет происходить утечка тока в обход затвора вне зависимости от того, заряжен ли он. Таким образом, выключение станет невозможным.

Поскольку кремниевые нанопроводники подвешены в воздухе, затвор может быть словно обёрнут вокруг них, как изолирующий материал вокруг электрического провода. Однако толщина нанопроводников ограничивает количество проходящего через них тока. Профессор электронной инженерии Джуди Хойт (Judy Hoyt) и её аспиранты Пойя Хашеми (Pouya Hashemi) и Леонардо Гомес (Leonardo Gomez) смогли улучшить характеристики транзисторов из кремниевых нанопроводников путём расположения атомов кремния немного дальше друг от друга, чем в естественной структуре, поэтому электроны перемещаются в таких проводниках более свободно. "Растянутый" кремний считается приемлемым методом совершенствования обычных транзисторов с 2003 года, Хойт же – одна из первых, кто занялся исследованиями в данной области. По словам возглавляющего направление технологий транзисторов и интеграции в Intel Таира Гани (Tahir Ghani), она объединила ключевые элементы – производительность и пространственную эффективность.

Сверху вниз: пластина с чипами; увеличенный вид четырёх чипов; поперечное сечение двух нанопроводников в транзисторе (точки в центрах, окружённые затворами); нанопроводник

Чтобы создать нанотранзисторы со слоистой структурой, учёные начали с обычной кремниевой пластины, где разместили кремниево-германиевый состав. Атомы германия больше атомов кремния, поэтому дистанция между частицами в слое из двух материалов превышает таковую в чистом кремнии. Когда на смеси расположили слой из этого элемента без других примесей, атомы кремния начали выстраиваться в соответствии с аналогичными атомами в нижнем слое ("равняться" на них), и расстояние между ними также увеличилось. "Растянутый" кремний поместили на вторую пластину, и получилась подложка с более совершенными характеристиками. Затем сверху базы были уложены новые слои из комбинаций тех же материалов, которым передавалась структура основания. На этом "бутерброде" при помощи электронно-лучевой литографии создали узкие линии, а материал между ними удалили. В итоге остались только слои подвешенных кремниевых нанопроводников с диаметром 8 нм. Для сравнения: величина компонентов сегодняшних компьютерных чипов составляет 45 нм.

По словам Хойт, её группа может создать вдвое более "растянутый" кремний, чем в коммерческих чипах: "Мы увеличили количество германия в первоначальном слое и получили больший эффект". "Мы являемся единственными в мире, кто показал, что возможно сохранить расстояние между атомами после удаления нижних слоёв", - говорит Хашеми. На данный момент через транзисторы с нанопроводниками заряды переносят электроны, но для максимизации эффективности в обычных чипах используются также квазичастицы, называемые дырками – пустующие без электронов места в кристаллической решётке. Электрон занимает одно из них, освобождая собственное место, занимаемое следующей частицей, и дырка будто перемещается по проводнику. Увеличение мобильности дырок требует иного типа деформации кремния: атомы должны быть ближе друг к другу, чем в естественных условиях. Над этим и работают сейчас исследователи.

Информация с сайта www.3dnews.ru со ссылкой на web.mit.edu.

Автор оригинального текста: Денис Борн.