MIT onthult ultra-efficiënte 3D-transistoren, “zou siliciumtechnologie kunnen overtreffen”

In een poging om de Boltzmann-Tirannie te overwinnen, hebben onderzoekers van MIT een nieuw type driedimensionale transistor gefabriceerd met behulp van een unieke set ultradunne halfgeleidermaterialen.

Hun apparaten, met verticale nanodraden van slechts enkele nanometers breed, kunnen prestaties leveren die vergelijkbaar zijn met de modernste siliciumtransistoren, terwijl ze efficiënt werken bij veel lagere spanningen dan conventionele apparaten. “

Dit is een technologie met het potentieel om silicium te vervangen, dus je zou het kunnen gebruiken met alle functies die silicium momenteel heeft, maar met een veel betere energie-efficiëntie”, zegt Yanjie Shao, hoofdauteur de bijbehorende paper in Nature.

De transistoren maken gebruik van kwantummechanische eigenschappen om tegelijkertijd een lage spanning en hoge prestaties te bereiken binnen een gebied van slechts enkele vierkante nanometers. Hun extreem kleine formaat zou het mogelijk maken om meer van deze 3D-transistors op een computerchip te verpakken, wat resulteert in snelle, krachtige elektronica die ook energiezuiniger is.

“Met conventionele fysica kun je niet ver komen. Het werk van Yanjie laat zien dat we het beter kunnen doen dan dat, maar we moeten andere fysica gebruiken. Er zijn nog veel uitdagingen die overwonnen moeten worden om deze aanpak in de toekomst commercieel te maken, maar conceptueel is het echt een doorbraak”, zegt hoofdauteur Jesús del Alamo, de Donner Professor of Engineering in de MIT Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS).

Ook Aryan Afzalian van nano-elektronica bij imec, die niet bij dit werk betrokken was, toont zich enthousiast: “Dit werk is zeker een stap in de goede richting en verbetert de prestaties van de broken-gap tunnel field effect transistor (TFET) aanzienlijk. Het toont een steile helling samen met een record-aandrijfstroom. Het benadrukt het belang van kleine afmetingen, extreme opsluiting en materialen en interfaces met een lage defectiviteit in de gefabriceerde broken-gap TFET. Deze kenmerken zijn gerealiseerd door een goed beheerst en nanometer-gecontroleerd proces.”

Silicium overtreffen

In elektronische apparaten werken siliciumtransistoren vaak als schakelaars. Door een spanning op de transistor aan te brengen, bewegen elektronen over een energiebarrière van de ene naar de andere kant, waardoor de transistor van ‘uit’ naar ‘aan’ schakelt.

Door te schakelen, vertegenwoordigen transistoren binaire cijfers om berekeningen uit te voeren. De schakelhelling van een transistor weerspiegelt de scherpte van de overgang van ‘uit’ naar ‘aan’. Hoe steiler de helling, hoe minder spanning er nodig is om de transistor in te schakelen en hoe groter de energie-efficiëntie. Maar vanwege de manier waarop elektronen over een energiebarrière bewegen, vereist Boltzmann-tirannie een bepaalde minimale spanning om de transistor bij kamertemperatuur te schakelen.

Om de fysieke limiet van silicium te overwinnen, gebruikten de MIT-onderzoekers een andere set halfgeleidermaterialen — galliumantimonide en indiumarsenide — en ontwierpen ze apparaten die gebruik maken van kwantumtunneling: het vermogen van elektronen om barrières te penetreren.

De onderzoekers maakten tunneltransistoren, die deze eigenschap gebruiken om elektronen aan te moedigen door de energiebarrière te duwen in plaats van eroverheen te gaan. “Nu kun je het apparaat heel gemakkelijk aan- en uitzetten”, zegt Shao.

Maar hoewel tunneltransistoren scherpe schakelhellingen mogelijk maken, werken ze doorgaans met een lage stroomsterkte, wat de prestaties van een elektronisch apparaat belemmert. Een hogere stroomsterkte is nodig om krachtige transistorschakelaars te maken voor veeleisende toepassingen.

Nano fabricage

Met behulp van hulpmiddelen bij MIT.nano konden de ingenieurs de 3D-geometrie van hun transistoren nauwkeurig regelen en verticale nanodraadheterostructuren met een diameter van 6 nanometer creëren. Ze denken dat dit de kleinste 3D-transistors zijn die tot nu toe zijn gerapporteerd.

Dankzij deze nauwkeurige engineering konden ze een scherpe schakelhelling en een hoge stroom tegelijkertijd bereiken. Dit is mogelijk dankzij kwantumopsluiting, die optreedt wanneer een elektron wordt beperkt tot een ruimte die zo klein is dat hij niet kan bewegen. Dan veranderen de effectieve massa van het elektron en de eigenschappen van het materiaal, waardoor het elektron sterker door een barrière kan tunnelen.

Bij de tests lag de scherpte van de schakelhelling onder de fundamentele limiet die kan worden bereikt met conventionele siliciumtransistoren. De testapparaten presteerden ook ongeveer 20 keer beter dan vergelijkbare tunneltransistoren.

De onderzoekers streven er nu naar om hun fabricagemethoden te verbeteren om transistoren uniformer te maken over een hele chip. Bij deze afmetingen kan zelfs een variatie van 1 nanometer het gedrag van de elektronen veranderen en de werking van het apparaat beïnvloeden. Ze onderzoeken ook verticale vinvormige structuren, naast verticale nanodraadtransistoren, die mogelijk de uniformiteit van apparaten op een chip kunnen verbeteren.

Dit onderzoek is deels gefinancierd door Intel Corporation.