Исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что сплав под названием InGaAs (арсенид индия-галлия) может содержать потенциал для создания более компактных и более энергоэффективных транзисторов. Ранее исследователи считали, что производительность транзисторов InGaAs ухудшается в малых масштабах. Но новое исследование показывает, что это очевидное ухудшение не является внутренним свойством самого материала.
Открытие может однажды помочь вывести вычислительную мощность и эффективность за пределы возможностей кремния. «Мы очень взволнованы», – сказал Сяовэй Цай, ведущий автор исследования. «Мы надеемся, что этот результат побудит сообщество продолжить изучение использования InGaAs в качестве материала канала для транзисторов."
Кай, теперь работающий в компании Analog Devices, завершил исследование в качестве аспиранта в лабораториях технологий микросистем Массачусетского технологического института и на факультете электротехники и информатики (EECS) с профессором Доннера Хесусом дель Аламо. Ее соавторами являются 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 показал намек на то, что может стать потенциальным конкурентом.
Электроны могут легко проходить через InGaAs даже при низком напряжении. «Известно, что этот материал обладает прекрасными [электронными] транспортными свойствами», – говорит Цай. Транзисторы InGaAs могут быстро обрабатывать сигналы, что может привести 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. Проблема привела некоторых исследователей к выводу, что наноразмерные транзисторы InGaAs просто не подходят для этой задачи. Но, говорит Цай, «мы обнаружили, что это заблуждение."
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 », – говорит Цай. "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 захват оксидов."
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. «Когда мы использовали эти устройства на действительно высокой частоте, мы заметили, что производительность действительно хорошая», – говорит она. "Они конкурентоспособны с кремниевой технологией."
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 ", – говорит она. "Мы считаем, что это проблема, которую можно решить или спроектировать из."Она добавляет, что InGaAs показал себя многообещающим как в классических, так и в квантовых вычислительных приложениях.
«Эта [исследовательская] область остается очень и очень интересной, – говорит дель Аламо. "Мы стремимся довести транзисторы до предела производительности."Когда-нибудь такая невероятная производительность станет возможной благодаря InGaAs.
Это исследование было частично поддержано Агентством по снижению оборонной угрозы и Национальным научным фондом.