На протяжении десятилетий один материал настолько доминировал в производстве компьютерных микросхем и транзисторов, что мировая технологическая столица — Кремниевая долина — носит его имя. Но правление кремния не может длиться вечно.
Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили, что сплав под названием InGaAs (арсенид индия-галлия) может содержать потенциал для создания более компактных и энергоэффективных транзисторов. Ранее исследователи считали, что производительность транзисторов InGaAs ухудшается в небольших масштабах. Но новое исследование показывает, что это видимое ухудшение не является внутренним свойством самого материала.
Это открытие может однажды помочь вывести вычислительную мощность и эффективность за пределы возможностей кремния. Сяовэй Кай, ведущий автор научной работы, в настоящий момент работающий в Analog Devices, завершил исследование в качестве аспиранта в лабораториях технологий микросистем Массачусетского технологического института и на факультете электротехники и компьютерных наук (EECS) с профессором Доннера Хесусом дель Аламо. В число ее соавторов входят Хесус Грахал из Политехнического университета Мадрида, а также Алон Варди и дель Аламо из Массачусетского технологического института. Документ будет представлен в этом месяце на виртуальной конференции IEEE International Electron Devices Meeting.
Транзисторы — это строительные блоки компьютера. Их роль в качестве переключателей, останавливающих электрический ток или позволяющих ему течь, порождает ошеломляющее множество вычислений — от моделирования глобального климата до просмотра видеороликов о кошках на Youtube. Один ноутбук может содержать миллиарды транзисторов. Для повышения вычислительной мощности в будущем, как это было на протяжении десятилетий, инженерам-электрикам придется разработать более компактные транзисторы с более плотной упаковкой. На сегодняшний день кремний является предпочтительным полупроводниковым материалом для транзисторов. Но InGaAs намекает, что может стать потенциальным конкурентом.
Электроны могут легко проходить через InGaAs даже при низком напряжении. Известно, что этот материал обладает прекрасными электронными транспортными свойствами.Транзисторы InGaAs могут быстро обрабатывать сигналы, что потенциально приводит к более быстрым вычислениям. Кроме того, транзисторы InGaAs могут работать при относительно низком напряжении, что означает, что они могут повысить энергоэффективность компьютера. Так что InGaAs может показаться многообещающим материалом для компьютерных транзисторов. Но есть загвоздка.
Благоприятные свойства электронного транспорта InGaAs, похоже, ухудшаются в малых масштабах — масштабах, необходимых для создания более быстрых и плотных компьютерных процессоров. Эта проблема привела некоторых исследователей к выводу, что наноразмерные транзисторы InGaAs просто не подходят для этой задачи. Однако это оказалось заблуждением.
Команда обнаружила, что небольшие проблемы с производительностью InGaAs частично связаны с улавливанием оксидов. Это явление заставляет электроны застревать при попытке пройти через транзистор. Транзистор должен работать как переключатель. Вы хотите иметь возможность включать напряжение и иметь большой ток. Но если у вас есть электроны, происходит то, что вы включаете напряжение, но у вас есть только очень ограниченное количество тока в канале. Таким образом, коммутационная способность намного ниже, когда у вас есть ловушка оксида.
Команда Цая определила причину захвата оксидов, изучив частотную зависимость транзистора - скорость, с которой электрические импульсы проходят через транзистор. На низких частотах производительность наноразмерных транзисторов InGaAs ухудшалась. Но на частотах 1 гигагерц и выше они работали нормально — улавливание оксидов больше не было помехой.
Кай надеется, что открытие ее команды даст исследователям новую причину для разработки компьютерных транзисторов на основе InGaAs. Работа показывает, что проблема, которую необходимо решить, заключается не в самом транзисторе InGaAs. Это проблема улавливания оксидов. Команда считает, что это проблема, которую можно решить или спроектировать. В ходе работы InGaAs показал себя как многообещающий материл для создания как вклассических, так и в квантовых вычислительных систем.