17/01/2012 - Neue Materialien, 3D und ultrafeine Strukturen für die neue Generation von Chips

Menéame

Ein paar Monate nach der Ankunft der Intels 'Ivy Bridge' Tri-Gate haben Forscher von Harvard und Purdue ein Transistor-basiertes Gerät, das eine 3D-Struktur und alternative Halbleitermaterialien zu Silizium verbindet.

Die beiden großen Trends in Bezug auf Chips, durch die Industrie und wissenschaftliche Gemeinschaft auf dem Weg zur Miniaturisierung von Silizium vorankommen, könnten zu einem einzigen Gerät führen. Das ist das Versprechen eines Forscherteam der Universitäten Harvard und Purdue der auf dem Internationalen Treffen der elektronischen Geräte (IEDM) im Dezember in den Vereinigten Staaten einen Vorschlag für einen Chip vorgelegt hat, der den Einsatz neuer Materialien in den Kanälen, durch die die Ladungen innerhalb der Transistoren transportiert werden, mit Hilfe dreidimensionaler Strukturen, die die elektrostatischen Strukturen verbessern, eine bessere Steuerung des Verkehrs ermöglicht und die durch Messungen unter 22 Nanometern verschärften Lastausgänge minimiert.

Die von diesen Wissenschaftlern vorgelegten Transistoren bestehen aus Nanoskopkabeln, die nicht aus Silizium, sondern aus anderen Halbleitern bestehen: Indianerarsenid und Gallium auf einem in Aluminiumoxid beschichteten Substrat aus Indianphosphid. Das Gerät wurde nach der Methode 'top-down' entwickelt, bei der die Nanokabel durch photolithographische Gravur von Halbleiterwafers erzeugt werden, im Gegensatz zum System 'bottom-up', bei dem sich das Material 'von unten nach oben' selbst zur Bildung der Strukturen zusammensetzt.

Peide Ye, Koordinator der Arbeit, die zu diesem System geführt hat und Professor an der Fakultät für Elektronik und Computertechnik der Universität Purdue (USA), behauptet, dass sein System "kompatibel mit den konventionellen Fertigungsprozessen" sei, was die Übernahme dieser dreidimensionalen Geräte durch die Industrie erleichtern könnte.

Die Verwendung alternativer Halbleitermaterialien zu Silizium zur Steigerung der Leistung und die Verwendung einer dreidimensionalen Struktur zur Leistungsreduzierung sind in der Regel zwei getrennte Wege, die in diesem Fall im Vorschlag der Forscher übereinstimmen. Trotz der vielversprechenden Fortschritte muss diese Technologie jedoch noch vor dem Eintritt in unsere Mobiltelefone oder Laptops große technische und wirtschaftliche Herausforderungen bewältigen.

Halbleitermaterialien werden seit Jahrzehnten für die Entwicklung von Mikroprozessoren, Speichern, Schaltungen und allen Arten von elektronischen Komponenten verwendet. Unter ihnen hat Silizium immer hervorgehoben, aufgrund seiner Fülle und Verfügbarkeit. Obwohl es sich immer noch um ein technologisch gültiges Material handelt, sind andere Halbleiter, die in verschiedenen Legierungen kombiniert und in künftige Transistoren integriert sind, dazu aufgerufen, ihre Vorteile zu ergänzen und den Sprung in neue technologische Knoten zu erleichtern. Die neuen Generationen von Chips zeichnen sich durch eine immer geringere Größe ihrer Komponenten und eine stärkere Mobilität der elektrischen Ladungen durch sie aus, was die Geschwindigkeit der Geräte erhöht, die sie verwenden.

Vor zehn Jahren arbeiteten die Computer mit 130 Nanometern Prozessoren, die heute auf 32 oder sogar 22 Nanometer reduziert wurden, wenn Intels Ankündigung erfüllt ist, seine Ivy Bridge Tri-Gate Prozessoren im April dieses Jahres zum Verkauf anzubieten. Diese Transistoren sind Millionen von Transistoren, die statt einer konventionellen Planarstruktur einen 3D-Prozessor aufweisen, wie die von Ye-Teams. Der Unterschied besteht darin, dass die letzteren auf Nanoröhrchen zur Entwicklung dieses Systems und nicht auf einer "Flatter"-Struktur wie Intels basieren.

Heute jedoch sind die meisten Transistoren in digitalen und analogen Schaltkreisen immer noch planar aufgebaut, die den Stromdurchlauf als ob ein Schalter behandelt wird, zu ermöglichen oder zu verhindern. Diese wiederum umfassen zwei Arten von Transistoren, die zum Stromdurchlauf beitragen sollen: die 'Typ n', bei denen Stromleiter Elektronen sind, und die 'Typ p', bei dem die Leiter hohl sind (positive elektrische Ladungen, die durch das Fehlen von Elektronen erzeugt werden).

In diesem Fall hat das von Ye angeführte Team nicht nur gezeigt, dass es möglich ist, die Türlänge seiner dreidimensionalen Transistoren bis auf die 50 Nanometer zu reduzieren, indem es die unerwünschten Kurzkanaleffekte erfolgreich kontrolliert, sondern dank der Miniaturisierung auch den Strom, der Elektronen zwischen den Knoten des Schaltkreises transportiert, erhöht. Wie Francisco Gámiz, Professor der Abteilung für Elektronik und Computertechnologie an der Universität Granada, feststellt, sind die Lücken nach wie vor ihr offenes Fach, da dieses Gerät "nur Elektronenleiter ist, d.h. kein p-Kanal," was zu einem Ungleichgewicht insgesamt führen würde.

Außerdem stellt Gámiz fest, dass die Beschichtung dieser Vorrichtung sehr dick ist, was auch einen Nachteil darstellt. "Sie sagen, sie könnten es reduzieren, aber wir sollten es überprüfen," sagt der Professor.
 

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