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Silicons langer Abschied
Irgendwann in den kommenden Jahrzehnten werden Chiphersteller nicht mehr in der Lage sein, Siliziumchips schneller herzustellen, indem sie kleinere Transistoren auf einen Chip packen. Das liegt daran, dass Siliziumtransistoren einfach zu undicht und zu teuer sind, um sie kleiner zu machen.
Nanobänder: Streifen aus Indiumarsenid wurden chemisch geätzt, sodass sie sich von der darunter liegenden Oberfläche lösen. Sie können dann auf Siliziumwafer übertragen werden, um schnelle Transistoren mit geringem Stromverbrauch herzustellen.
Wer an Materialien arbeitet, die Silizium ersetzen könnten, müssen viele Herausforderungen meistern. Jetzt haben Forscher der University of California, Berkeley, einen Weg gefunden, eine solche Hürde zu überwinden: Sie haben einen zuverlässigen Weg entwickelt, um aus einem Verbindungshalbleitermaterial schnelle, stromsparende, nanoskopische Transistoren herzustellen. Ihre Methode ist einfacher und verspricht kostengünstiger zu sein als die bestehenden.
Verbindungshalbleiter haben bessere elektrische Eigenschaften als Silizium, was bedeutet, dass daraus hergestellte Transistoren weniger Strom benötigen, um mit höheren Geschwindigkeiten zu arbeiten. Diese Materialien sind bereits in einigen teuren Nischenanwendungen wie militärischen Telekommunikationsgeräten enthalten, was ihnen einen Vorsprung gegenüber exotischeren potenziellen Siliziumersatzstoffen wie Graphen und Kohlenstoffnanoröhren verschafft.
Aber Wafer aus Verbindungshalbleitermaterialien sind auch sehr zerbrechlich und teuer, was nur dort in Ordnung ist, wo die Kosten keine Rolle spielen, sagt Ali Javey , außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Informatik an der University of California, Berkeley. Verbindungshalbleiter sind beispielsweise in teuren Kommunikationschips für das Militär auf dem Markt.
Forscher glauben, dass sie diese Anfälligkeit und diese Kosten überwinden können, indem sie Verbindungshalbleitertransistoren auf einem unterstützenden Siliziumwafer anbauen – ein Trick, der mit der bestehenden Fertigungsinfrastruktur kompatibel sein sollte.
Verbindungshalbleiter können jedoch nicht auf Silizium gezüchtet werden – es gibt eine Diskrepanz zwischen den kristallinen Strukturen der beiden Materialien, die dies erschwert. Die Berkeley-Gruppe hat nun gezeigt, dass Transistoren aus Verbindungshalbleitern auf einer anderen Oberfläche aufgewachsen und dann auf einen Siliziumwafer übertragen werden können. Das ist ein plausibler Weg, um mit der Tatsache umzugehen, dass Verbindungshalbleiter schwer zu züchten sind, sagt Jesus von Alamo , Professor für Elektrotechnik und Informatik am MIT, der nicht an Javeys Arbeit beteiligt war.
Die Berkeley-Forscher demonstrierten ihre Technik mit Indiumarsenid. Sie lassen das Material auf einem Wafer aus Galliumantimonid wachsen, der durch eine Opferoberschicht aus Aluminiumgalliumantimonid geschützt ist. Der Wafer ermöglicht das Wachstum eines hochwertigen, kristallinen Indium-Arsenid-Films und die Opferschicht kann anschließend chemisch weggeätzt werden, wodurch nanoskalige Indium-Arsenid-Streifen freigesetzt werden. Die Forscher nehmen die Nanobänder mit einem Gummistempel auf und legen sie auf den Siliziumwafer. Das Silizium bietet strukturelle Unterstützung für das Indiumarsenid. Es ist mit Siliziumdioxid beschichtet, das als Isolator in den Transistoren fungiert. Die Transistoren werden durch das Anbringen von Metallgattern vervollständigt, um Strom ein- und auszuführen.
Javeys Gruppe beschreibt die Leistungsfähigkeit von auf diese Weise hergestellten Indium-Arsenid-Transistoren in einem Artikel, der letzte Woche online in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur . Die Transistoren, die 500 Nanometer lang sind, funktionieren genauso gut wie Verbundhalbleitertransistoren, die mit komplexeren Techniken hergestellt wurden, sagt Javey. Und die Indium-Arsenid-Transistoren der Berkeley-Gruppe sind viel schneller als ihre Silizium-Äquivalente und verbrauchen dabei weniger Strom – ein halbes Volt im Vergleich zu 3,3 Volt. Ihre Transkonduktanz – wie sie auf Spannungsänderungen reagiert – ist achtmal besser als die eines Siliziumtransistors dieser Größe. Angesichts der Art und Weise, wie diese Geräte hergestellt wurden, ist diese Leistung ziemlich beeindruckend, sagt der Professor für Elektrotechnik am MIT Dmitri Antoniadis .
Javey merkt an, dass der Prozess, der zur Herstellung der Indium-Arsenid-Transistoren erforderlich ist, dem ähnelt, der zur Herstellung einer Klasse von Chips verwendet wird, die als Silizium-auf-Isolator-Elektronik (SOI) bezeichnet wird und bei der eine Siliziumscheibe auf einem Wafer aus einem anderen Material platziert werden muss während der Herstellung. Aus diesem Grund nennt er sie XOI – alles auf Isolator.
Der Prozess zur Herstellung der XOI-Geräte im Wafer-Maßstab wäre komplexer als der SOI, da er möglicherweise die Integration mehrerer verschiedener Arten von Materialien erfordert, die auf Wafern unterschiedlicher Größe aufgebaut sind, sagt Michael Mayberry , Direktor der Komponentenforschung bei Intel. Es gibt viele Möglichkeiten, wie dieser Prozess schief gehen könnte, sagt er. Intel arbeitet seit drei Jahren an Verfahren zum direkten Aufwachsen von Verbindungshalbleitern auf Siliziumwafern, indem eine Pufferschicht dazwischen gezüchtet wird. Bisher müssen sie einen sehr dicken Puffer verwenden, der die Leistung der Transistoren behindert, aber Mayberry sagt, sie haben bewiesen, dass das Konzept funktionieren kann.
Der Wert von Javeys Arbeit, sagt Mayberry, besteht darin, dass sie zeigt, dass die Indium-Arsenid-Transistoren gut funktionieren, wenn sie auf die Nanoskala verkleinert werden. Wir wissen nicht, wie sich diese Geräte verhalten werden, sagt er. Theoretiker haben Vermutungen angestellt, sagt er, aber auf der Nanoskala können unerwartete Quanteneffekte auftreten.
Javey plant, die Transistoren viel kleiner zu machen und zu sehen, ob sie ihre Leistung behalten. del Alamo und Antoniadis vom MIT versuchen, die endgültige Skalierung von Verbindungshalbleitertransistoren zu bestimmen; das Paar hat Transistoren hergestellt, die 30 Nanometer lang sind. Ich würde gerne sehen, welche Perfektion der Materialien im kleinen Maßstab erreicht werden kann, sagt Antoniadis.