Исследователи из Массачусетского технологического института предложили новый подход, который может изменить правила игры. Они разработали трёхмерные транзисторы, использующие уникальные ультратонкие полупроводниковые материалы. Ключевым элементом их разработки стали вертикальные нанопровода толщиной всего несколько нанометров. Эти устройства способны обеспечивать производительность, сопоставимую с традиционными кремниевыми транзисторами, но при значительно меньших рабочих напряжениях.
«Эта технология способна заменить кремний, позволяя использовать все его текущие функции, но с существенно большей энергоэффективностью», — отмечает Яньцзе Шао, исследователь из MIT и главный автор исследования.
Новые транзисторы опираются на квантово-механические эффекты, обеспечивая одновременно низкую потребляемую мощность и высокую производительность на площади всего в несколько квадратных нанометров. Такой миниатюрный размер позволит разместить большее количество этих 3D-транзисторов на одном чипе, что приведёт к созданию более производительной и экономичной электроники будущего.
Прорыв в физике транзисторов: новое слово в энергоэффективности
Старший автор исследования, профессор инженерии Доннера на кафедре электротехники и компьютерных наук (EECS) Массачусетского технологического института, Хесус дель Аламо, подчеркивает важность открытия: «Традиционная физика ограничена в своих возможностях. Работа Яньцзе демонстрирует, что мы можем добиться большего, но для этого необходимо использовать иную физическую основу. Хотя впереди ещё множество задач, прежде чем эта концепция станет коммерческой реальностью, она представляет собой настоящий прорыв».
Дель Аламо сотрудничает с профессором ядерной инженерии Токийской электроэнергетической компании и профессором материаловедения и инженерии в Массачусетском технологическом институте Цзюем Ли, аспирантом EECS Хао Таном, постдоком MIT Баомином Ваном, а также профессорами Марко Палой и Давидом Эссени из Университета Удине в Италии. Результаты их исследований опубликованы в журнале Nature Electronics.
Преодоление ограничений кремния
В большинстве электронных устройств кремниевые транзисторы выполняют функцию переключателей. Когда напряжение подается на транзистор, электроны начинают двигаться через энергетический барьер, меняя состояние транзистора с «выключено» на «включено». Этот процесс лежит в основе цифровых вычислений, где транзисторы кодируют двоичные значения.
Показатель крутизны наклона переключения транзистора определяет, насколько резко происходит переход между состояниями «выкл» и «вкл». Чем выше наклон, тем меньше требуется энергии для активации транзистора, что повышает его энергоэффективность.
Однако физики сталкиваются с проблемой, известной как «тирания Больцмана»: минимальное напряжение, необходимое для переключения транзистора при комнатной температуре, ограничено законами термодинамики.
Для преодоления этого барьера команда исследователей из Массачусетского технологического института применяет альтернативные полупроводниковые материалы — антимонид галлия и арсенид индия, а также использует принцип квантового туннелирования.
Квантовый скачок вперед
Квантовое туннелирование — это удивительное физическое явление, позволяющее электронам проходить сквозь барьеры, вместо того чтобы их преодолевать. Исследовательская группа создала туннельные транзисторы, которые используют это свойство для управления потоком электронов через энергетический барьер.
«Теперь устройство можно легко включить и выключить», — объясняет Яньцзе Шао.
Хотя туннельные транзисторы обеспечивают высокую эффективность за счет резкого изменения состояний, обычно они работают с низкой силой тока, что может снизить общую производительность устройства. Для обеспечения достаточной мощности в сложных приложениях необходимы высокие показатели силы тока. ### Революция в нанотехнологиях: новые горизонты для транзисторов
Инженеры из Массачусетского технологического института (MIT), используя передовые возможности центра MIT.nano, создали 3D-транзисторы с вертикальной наноструктурой, диаметр которой составляет всего 6 нанометров. По мнению ученых, эти транзисторы являются самыми маленькими среди тех, о которых сообщалось ранее.
Такая высокая точность в создании геометрии транзисторов позволила исследователям добиться одновременно острого угла переключения и высоких показателей тока. Это стало возможным благодаря явлению, известному как квантовое удержание. Оно возникает, когда электрон оказывается в пространстве столь малого объема, что его движение становится невозможным. Вследствие этого изменяется эффективная масса электрона и свойства самого материала, что усиливает туннелирование электрона через барьер.
Благодаря малому размеру транзисторов ученые смогли создать мощный квантовый эффект удержания и сформировать сверхтонкий барьер. Как пояснила Яньцзе Шао, *«мы обладаем значительной гибкостью в проектировании гетероструктур из этих материалов, что позволяет нам создавать крайне тонкие туннельные барьеры, обеспечивающие высокий уровень тока»*.
Создание столь маленьких и функциональных устройств представляло собой значительную техническую задачу. «Мы работаем с размерами порядка одного нанометра. Лишь немногие команды в мире способны создать работающие транзисторы в таком масштабе. Яньцзе обладает исключительными навыками в разработке таких крошечных, но высокоэффективных транзисторов», — подчеркнул профессор Хесус дель Аламо.
При тестировании своих устройств исследователи зафиксировали угол переключения, превосходящий фундаментальные ограничения обычных кремниевых транзисторов. Кроме того, их разработка показала результаты, почти в 20 раз лучшие, чем у аналогичных туннельных транзисторов. *«Впервые нам удалось достичь такой остроты угла переключения с использованием данной конструкции»*, — добавила Шао.
Сейчас команда сосредоточена на совершенствовании методов производства, стремясь повысить однородность транзисторов на чипе. Даже мельчайшие отклонения в размерах — всего на 1 нанометр — могут оказать влияние на поведение электронов и функционирование устройства. Также ученые изучают потенциал использования вертикальных плавниковых структур наряду с вертикальными нанопроволоками, что могло бы дополнительно увеличить однородность устройств на чипе.
Арьян Афзалян, главный технический сотрудник исследовательской организации наноэлектроники imec, отметил значимость работы: *«Эта работа делает значительный шаг вперед в улучшении характеристик туннельного полевого транзистора (TFET) с разрывным зазором. Она демонстрирует острый угол переключения вкупе с рекордным током нагрузки. В ней подчеркнута важность малых размеров, строгих ограничений и материалов с минимальным количеством дефектов в созданных TFET с разрывным зазором. Все эти особенности были воплощены благодаря тщательной проработке и контролю нанометрических параметров»*.
