Transistor bán dẫn hợp chất cực nhỏ có thể thách thức sự thống trị của silicon | Emerald Insight

Transistor bán dẫn hợp chất cực nhỏ có thể thách thức sự thống trị của silicon

Loại bài viết: Tin ngành Từ: Microelectronics International, Tập 30, Số 2

Các nhà nghiên cứu của MIT phát triển bóng bán dẫn arsenide indium gallium nhỏ nhất từng được chế tạo

Vương miện của silicon đang bị đe dọa: thời của chất bán dẫn là vua của vi mạch cho máy tính và thiết bị thông minh có thể được đánh số, nhờ vào sự phát triển của bóng bán dẫn nhỏ nhất từng được chế tạo từ vật liệu đối thủ, indium gallium arsenide.

Bóng bán dẫn hợp chất, được chế tạo bởi một nhóm trong Phòng thí nghiệm Công nghệ Hệ thống Vi mô của MIT, hoạt động tốt mặc dù chỉ có chiều dài 22 nm (phần tỷ mét). Đồng phát triển Jesús del Alamo, Giáo sư Khoa học Donner tại Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính (EECS) của MIT, người đã chế tạo bóng bán dẫn cùng với nghiên cứu sinh Jianqian Lin của EECS, cho biết: và Dimitri Antoniadis, Giáo sư Kỹ thuật Điện Ray và Maria Stata.

Để bắt kịp với nhu cầu của chúng ta về các thiết bị máy tính ngày càng nhanh hơn và thông minh hơn, kích thước của các bóng bán dẫn liên tục thu nhỏ, cho phép ngày càng nhiều bóng bán dẫn được ép vào các vi mạch. “Bạn càng có thể đóng gói nhiều bóng bán dẫn trên một con chip, thì con chip đó càng trở nên mạnh mẽ và chip sẽ thực hiện nhiều chức năng hơn,” del Alamo nói.

Nhưng khi các bóng bán dẫn silicon được giảm xuống quy mô nanomet, lượng dòng điện do các thiết bị tạo ra cũng bị thu hẹp lại, hạn chế tốc độ hoạt động của chúng. Điều này dẫn đến lo ngại rằng Định luật Moore - dự đoán của nhà sáng lập Intel Gordon Moore rằng số lượng bóng bán dẫn trên vi mạch sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm - có thể sắp kết thúc, del Alamo nói.

Để giữ cho Định luật Moore tồn tại, các nhà nghiên cứu trong một thời gian đã nghiên cứu các lựa chọn thay thế cho silicon, có khả năng tạo ra dòng điện lớn hơn ngay cả khi hoạt động ở các quy mô nhỏ hơn này. Một trong những vật liệu như vậy là hợp chất indium gallium arsenide, đã được sử dụng trong công nghệ truyền thông cáp quang và radar, và được biết là có đặc tính điện cực tốt, del Alamo nói. Nhưng bất chấp những tiến bộ gần đây trong việc xử lý vật liệu để cho phép nó được tạo thành bóng bán dẫn theo cách tương tự như silicon, vẫn chưa ai có thể sản xuất các thiết bị đủ nhỏ để có thể đóng gói với số lượng ngày càng lớn vào các vi mạch của ngày mai.

Hiện nay del Alamo, Antoniadis và Lin đã chứng minh rằng có thể chế tạo một bóng bán dẫn hiệu ứng trường oxit kim loại-oxit kích thước nanomet (MOSFET) - loại được sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng logic như vi xử lý - bằng cách sử dụng vật liệu này. Del Alamo nói: “Chúng tôi đã chứng minh rằng bạn có thể tạo ra các MOSFET cực kỳ nhỏ indium gallium arsenide với các đặc tính logic tuyệt vời, hứa hẹn đưa Định luật Moore vượt ra ngoài tầm với của silicon.

Các bóng bán dẫn bao gồm ba điện cực: cổng, nguồn và cống, với cổng điều khiển dòng electron giữa hai điện cực kia. Vì không gian trong các bóng bán dẫn nhỏ bé này rất chật hẹp, ba điện cực phải được đặt ở vị trí cực kỳ gần nhau, một mức độ chính xác mà ngay cả các công cụ tinh vi cũng không thể đạt được. Thay vào đó, nhóm nghiên cứu cho phép cánh cổng tự “căn chỉnh” giữa hai điện cực còn lại.

Đầu tiên, các nhà nghiên cứu phát triển một lớp mỏng của vật liệu bằng cách sử dụng epitaxy chùm phân tử, một quy trình được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp bán dẫn, trong đó các nguyên tử indium, gali và asen bay hơi phản ứng với nhau trong chân không để tạo thành hợp chất đơn tinh thể. Sau đó, nhóm nghiên cứu lắng đọng một lớp molypden làm nguồn và thoát ra kim loại tiếp xúc. Sau đó, họ “vẽ” một mẫu cực kỳ mịn lên chất nền này bằng cách sử dụng một chùm điện tử hội tụ - một kỹ thuật chế tạo khác được biết đến nhiều như kỹ thuật in thạch bản chùm điện tử.

Các khu vực không mong muốn của vật liệu sau đó được khắc đi và oxit cổng được lắng đọng vào khoảng trống nhỏ. Cuối cùng, molypden bay hơi được bắn lên bề mặt, nơi nó tạo thành cánh cổng, bị ép chặt giữa hai điện cực khác, del Alamo nói. Ông nói: “Thông qua sự kết hợp giữa khắc và lắng đọng, chúng ta có thể nhận được cánh cổng được nép mình [giữa các điện cực] với những khoảng trống nhỏ xung quanh nó.

Mặc dù nhiều kỹ thuật mà nhóm áp dụng đã được sử dụng trong chế tạo silicon, chúng hiếm khi được sử dụng để chế tạo bóng bán dẫn hợp chất bán dẫn. Điều này một phần là do trong các ứng dụng như truyền thông cáp quang, không gian ít là vấn đề. “Nhưng khi bạn đang nói về việc tích hợp hàng tỷ bóng bán dẫn cực nhỏ vào một con chip, thì chúng ta cần phải cải tổ hoàn toàn công nghệ chế tạo bóng bán dẫn hợp chất để trông giống bóng bán dẫn silicon hơn nhiều,” del Alamo nói.

Bước tiếp theo của họ sẽ là cải thiện hơn nữa hiệu suất điện - và do đó là tốc độ - của bóng bán dẫn bằng cách loại bỏ điện trở không mong muốn trong thiết bị. Khi đã đạt được điều này, họ sẽ cố gắng thu nhỏ thiết bị hơn nữa, với mục đích cuối cùng là giảm kích thước của bóng bán dẫn xuống dưới 10 nm chiều dài cổng.

Nghiên cứu được tài trợ bởi DARPA và Tổng công ty Nghiên cứu Chất bán dẫn.