Теги → транзистор
Быстрый переход

Французы представили семиуровневый GAA-транзистор завтрашнего дня

Давно не секрет, что с 3-нм техпроцесса транзисторы перейдут от вертикальных «ребристых» каналов FinFET на горизонтальные каналы-наностраницы, полностью окружённые затворами или GAA (gate-all-around). Сегодня французский институт CEA-Leti показал, как можно использовать техпроцессы производства FinFET-транзисторов для выпуска многоуровневых GAA-транзисторов. А сохранение преемственности техпроцессов ― это надёжная основа для быстрой трансформации.

Семь уровней каналов-наностраниц в одном транзисторе (CEA-Leti)

Семь уровней каналов-наностраниц в одном транзисторе (CEA-Leti)

К симпозиуму VLSI Technology & Circuits 2020 специалисты CEA-Leti подготовили доклад о производстве семиуровневого GAA-транзистора (отдельное спасибо пандемии коронавируса, благодаря которой документы выступлений, наконец-то, стали появляться оперативно, а не месяцы спустя после конференций). Французские исследователи доказали, что могут выпускать GAA-транзисторы с каналами в виде целой «стопки» наностраниц с помощью широко используемой технологии так называемого RMG-процесса (replacement metal gate или, по-русски, замещающий (временный) металлический затвор). В своё время техпроцесс RMG был адаптирован для производства FinFET-транзисторов и, как видим, может быть распространён на выпуск GAA-транзисторов с многоуровневым расположением каналов-наностраниц.

Компания Samsung, насколько нам известно, с началом производства 3-нм чипов планирует выпускать двухуровневые GAA-транзисторы с двумя расположенными друг над другом плоскими каналами (наностраницами), окружёнными со всех сторон затвором. Специалисты CEA-Leti показали, что возможно выпускать транзисторы с семью каналами-наностраницами и при этом задавать каналам нужную ширину. Например, экспериментальный GAA-транзистор с семью каналами выпустили в версиях шириной от 15 нм до 85 нм. Понятно, что это позволяет задавать транзисторам точные характеристики и гарантировать их повторяемость (уменьшать разброс параметров).

Эволюция  транзистора (Samsung)

Эволюция транзистора (Samsung)

По словам французов, чем больше уровней каналов в GAA-транзисторе, тем больше эффективная ширина суммарного канала и, следовательно, лучшая управляемость транзистором. Также в многослойной структуре меньше токи утечки. Например, семиуровневый GAA-транзистор имеет в три раза меньшие токи утечки, чем двухуровневый (условно ― как у GAA Samsung). Что же, индустрия, наконец, нашла путь наверх, уходя от горизонтального размещения элементов на кристалле к вертикальному. Похоже, микросхемам всё же не придётся увеличивать площадь кристаллов, чтобы стать ещё быстрее, мощнее и энергоэффективнее.

Из оксида галлия и эпоксидки создан транзистор с напряжением пробоя выше 8 киловольт

Быстрое развитие электротранспорта невозможно без улучшения силовой электроники, от размеров и эффективности которой прямо зависит дальность передвижения электромобилей и электросамолётов. Чем меньше по размерам силовая установка, тем дальше проедет/пролетит транспорт на электрической тяге. Продвинуться на этом пути обещает новая разработка американских учёных ― силовой транзистор толщиной с лист бумаги и напряжением пробоя свыше 8 киловольт.

Изобретение сделала группа учёных из Университета в Буффало (UB). Они предложили и испытали в лаборатории новую форму силового полевого МОП-транзистора. Ежегодно в мире поставляется на рынок порядка 50 млрд MOSFET для производства блоков питания, преобразователей и другой силовой электроники. Университетская разработка при толщине с лист бумаги выдержала 8032 В до пробоя, а это невероятно много при таких размерах.

В качестве основы для полевого транзисторы учёные выбрали оксид галлия. Ширина запрещённой зоны у этого материала рекордная и составляет 4,8 электрон-вольт (эВ). Для сравнения, у кремния ширина запрещённой зоны 1,1 эВ, а у нитрида галлия ― 3,3 эВ. Но и это ещё не всё. Дополнительно транзистор на основе оксида галлия подвергли так называемой пассивации ― снижению активности поверхностного слоя. В данном случае транзистор был покрыт слоем полимера SU-8 на базе эпоксидной смолы. Этот полимер часто используется при производстве электроники и не является чем-то исключительным.

Строение транзистора и графики испытания (University at Buffalo)

Строение транзистора и графики испытания (University at Buffalo)

«Чтобы действительно внедрить эти [электротранспортные] технологии в будущем, нам нужны электронные компоненты следующего поколения, которые могут выдерживать большие силовые нагрузки без увеличения размеров систем силовой электроники», ― сказал ведущий автор исследования Уттам Сингисетти (Uttam Singisetti). «Эти высокоэффективные системы могут в конечном итоге помочь вам выжать больший радиус действия для электромобиля. Необходимы дальнейшие эксперименты, особенно для проверки напряженности поля этих новых транзисторов».

Алмазные транзисторы любят погорячее

Максимальная теоретическая рабочая температура кремниевых транзисторов и микросхем не может превышать 200 °C, но на деле ограничивается вдвое меньшими значениями. Но как быть, если датчики и электронику нужно разместить поближе к двигателям, где не просто жарко, а очень горячо? В этом могут помочь транзисторы из алмаза, которые от нагрева работают только лучше.

Исследователи из знаменитой американской лаборатории HRL Laboratories (принадлежит General Motors и Boeing) разработали техпроцесс производства полевых транзисторов FinFET с алмазными рёбрами. Статья о работе опубликована вчера в журнале Nature и доступна по этой ссылке. Эксперименты подтвердили, что алмазные транзисторы могут работать при температуре до 200 °C. Целью дальнейших исследований ставится задача создать электронные приборы, способные работать при температуре до 1000 °C.

Самым интересным из этого можно считать то, что для полевых транзисторов с вертикальными алмазными рёбрами повышение температуры идёт только во благо. Чем выше нагрев алмаза, тем лучше проводимость транзисторных каналов и тем выше их производительность. При комнатной температуре они работают с посредственными характеристиками. Поэтому в персональных компьютерах они вряд ли появятся. Но космос и небо ― спутники и самолёты ― будут только рады появлению высокотемпературной электроники.

Алмазные транзисторы и чипы на их основе можно будет устанавливать в непосредственной близости от электрических двигателей, двигателей внутреннего сгорания и даже реактивных двигателей. Это наверняка приведёт к появлению интеллектуальных двигательных установок и к новому слову в двигателестроении. Также жаропрочная электроника нужна для управления глубоководными бурильными установками и в промышленности.

Для производства полевых транзисторов FinFET с алмазными рёбрами исследователи использовали технологию омической рекристаллизации (повторного роста) контактов между алмазом и составными частями транзистора. Задачей было создать надёжные контакты с низким сопротивлением между каналом, стоком и истоком, что давно реализовано для полупроводников и в новинку для алмазов. Учёные с этой задачей справились.

Samsung создала прототип 3-нм полупроводников GAAFET

Как сообщило корейское агентство Maeil Economy, Samsung удалось создать прототип первого 3-нм техпроцесса. При этом компания ставит цель к 2030 году стать производителем полупроводников номер один в мире. Сегодня Samsung является одним из лидеров 7-нм техпроцесса с литографией в глубоком ультрафиолетовом диапазоне (EUV).

3-нм нормы производства основаны на технологии транзисторов с горизонтальным расположением каналов и круговым затвором (Gate-All-Around Field-Effect Transistor — GAAFET), которая отличается от индустриального стандарта FinFET с вертикальным расположением каналов. Таким образом, вместо «плавника» (fin) теперь используется своего рода «нанопровод». Если прежде затвор окружал канал только с трёх из четырёх сторон, что приводило к избыточным утечкам тока, то теперь используется круговой затвор, полностью опоясывающий канал.

В затворе используется три нанолиста, проходящие между стоком и истоком, в результате достигается значительное снижение сложности формирования рисунка, а размеры затвора достаточно крупные, чтобы гарантировать надёжность и производительность. Благодаря такому подходу улучшается контроль над каналом, что принципиально важно при уменьшении размера узла. Более эффективная конструкция транзистора обеспечивает огромный скачок производительности на ватт по сравнению с 5-нм процессом FinFET.

Оптимизация технологии по сравнению с 5-нм процессом FinFET обещает уменьшить размер кристаллов на 35 % с одновременным сокращением энергопотребления вдвое. А при сохранении уровня рабочего напряжения производительность может быть повышена на треть.

В 2017 году Samsung заявляла, что будет использовать 4-нм техпроцесс GAAFET уже в 2020 году. Но скептически настроенные отраслевые аналитики, включая вице-президента Gartner Самуэля Вана (Samuel Wang), тогда сочли эту задачу чрезвычайно амбициозной и полагали, что наладить массовое производство чипов GAAFET компании удастся не раньше 2022 года. Однако недавно господин Ван признал, что Samsung, похоже, удастся приступить к использованию техпроцесса GAAFET раньше, чем можно было ожидать.

А если у Samsung уже есть рабочий прототип 3-нм техпроцесса, это может свидетельствовать, что компания стала ближе к своей цели. В начале этого года Samsung объявила о намерении начать массовое производство по 3-нм техпроцессу GAAFET уже в 2021 году. Технология позволит преодолеть имеющиеся ограничения в производительности и масштабируемости FinFET.

Imec представила идеальный транзистор для 2-нм техпроцесса

Как мы знаем, переход на техпроцесс с нормами 3 нм будет сопровождаться переходом на новую архитектуру транзистора. В терминах компании Samsung, например, это будут транзисторы MBCFET (Multi Bridge Channel FET), у которых транзисторный канал будет выглядеть как несколько расположенных друг над другом каналов в виде наностраниц, окружённых со всех сторон затвором (подробнее см. в архиве наших новостей за 14 марта).

Структура 3-нм транзистора Samsung MBCFET

Структура 3-нм транзистора Samsung MBCFET

По мнению разработчиков из бельгийского центра Imec это прогрессивная, но не идеальная структура транзистора с использованием вертикальных затворов FinFET. Идеальной для техпроцессов с масштабом элементов менее 3 нм будет другая структура транзистора, которую предложили бельгийцы.

В Imec разработали транзистор с раздельными страницами или Forksheet. Это те же вертикальные наностраницы в качестве каналов транзисторов, но разделённые вертикальным диэлектриком. С одной стороны диэлектрика создаётся транзистор с n-каналом, с другой ― с p-каналом. И оба они окружены общим затвором в виде вертикального ребра.

Imec предлагает транзистор с раздельными наностраницами

Imec предлагает транзистор с раздельными наностраницами (Forksheet)

Сократить расстояние на кристалле между транзисторами с разной проводимостью ― вот ещё один главный вызов для дальнейшего снижения масштаба технологического процесса. Моделирование TCAD подтвердило, что транзистор с раздельными страницами обеспечит 20-процентное уменьшение площади кристалла. В общем случае новая архитектура транзистора снизит стандартную высоту логической ячейки до 4,3 треков. Ячейка станет проще, что также относится к изготовлению ячейки памяти SRAM.

Эволюция логической ячейки по мере совершенстования каналов с вертикальными затворами

Эволюция логической ячейки по мере совершенствования каналов с вертикальными затворами

Простой переход от наностраничного транзистора к транзистору с раздельными наностраницами обеспечит рост производительности на 10 % с сохранением потребления или сокращение потребления на 24 % без прироста производительности. Моделирование для 2-нм техпроцесса показало, что ячейка SRAM с использованием раздельных наностраниц обеспечит комбинированное уменьшение площади и повышение производительности до 30 % при разнесении переходов p- и n- до 8 нм.

Fujitsu придумала, как уменьшить размеры погодных радаров и оборудования 5G

Японская компания Fujitsu Limited и её подразделение Fujitsu Laboratories разработали технологию, которая позволит эффективно отводить тепло от мощнейших высокочастотных транзисторов на переходах из нитрида галлия (GaN). Речь идёт о так называемых HEMT-транзисторах или, по-русски, о транзисторах с высокой подвижностью электронов (ВПЭ). Такие транзисторы используются в трактах высокочастотных усилителей в погодных радарах и в базовых станциях сотовой связи. Повышение эффективности отвода тепла от HEMT GaN обещает уменьшить размеры систем охлаждения и, соответственно, позволит выпускать компактные радары и станции.

Для эффективного отвода тепла от подложки нужны алмазные кристаллы больших размеров (Fujitsu)

Для эффективного отвода тепла от подложки нужны алмазные кристаллы больших размеров (Fujitsu)

Повысить рассеивание тепла от транзисторов помогает выращенная на их поверхности алмазная плёнка. Но выращенная не просто так, а с использованием особой технологии. Дело в том, что размеры кристаллов алмаза в составе плёнки зависят от температуры техпроцесса. В обычных условиях кристаллы вырастают до нескольких микрометров, что делает их отличным решением для отвода тепла от подложки. Но до таких размеров кристаллы растут только при высокой температуре от 950 °C. Однако нагрев до такой температуры разрушает GaN-подложку (транзисторы). Транзисторы могут выдержат нагрев только до 650 °C.

Слева изображение «голого» транзистора, а справа транзистор покрыт нанокристаллами алмаза (Fujitsu)

Слева изображение «голого» транзистора, а справа транзистор покрыт нанокристаллами алмаза (Fujitsu)

В свою очередь, при нагреве до 650 °C кристаллы в алмазной плёнке растут только до нескольких сотен нанометров в размере. Множество мелких кристаллов в плёнке не могут создать сквозной канал для отвода тепла от подложки. На это способны только кристаллы относительно больших размеров: в 1000 раз больше. Но исследователи в Fujitsu выяснили, что заставить нанокристаллы алмаза расти до нужных размеров можно даже при низкой температуре.

В результате экспериментов выяснилось, что рост кристаллов в алмазной плёнке до нужных размеров в несколько микрометров при температуре около 650 °C происходит тогда, когда в самом начале роста на подложке (транзисторе) формируются кристаллы в строго заданном направлении. Выяснилось, что эффективность отвода тепла с алмазной плёнкой поверх перехода достигает 40 %. Это позволяет снизить рабочую температуру GaN HEM-транзисторов на 100 °C без использования систем охлаждения и, следовательно, даёт возможность уменьшить габариты систем охлаждения.

Коммерческий выпуск транзисторов GaN HEM с использованием новой технологии выращивания алмазной плёнки компания начнёт в 2022 году. На следующем этапе исследователи планируют вырастить алмазную плёнку с обеих сторон транзистора, что даст уже 77 % эффективности в отводе тепла от кристалла.

Электроника без электричества: в MIT придумали магнитный «транзистор»

Исследователи из Массачусетского технологического института предложили новый подход для организации вычислительных процессов, в которых почти или даже вообще не используется электрический ток (поток электронов). Для этого используются магнитные материалы и их свойства менять намагниченность, а также такие квантовые эффекты, как перенос спинового момента элементарных частиц. Условный магнитный транзистор может переключаться из одного состояния в другое без потребления электричества только на магнитных и спиновых эффектах, что ведёт едва ли не к нулевому выделению тепла.

Доменная стенка меняет фазу и амплитуду спиновой волны (MIT)

Доменная стенка меняет фазу и амплитуду спиновой волны (MIT)

В своих экспериментах учёные использовали такое явление, как спиновая волна. Это определённое квантовое свойство электронов в магнитных материалах с решётчатой структурой. В таких материалах намагниченность упорядочена, а возникающие нарушения не локализуются, а начинают распространяться в виде волны. Идея как раз заключается в том, чтобы попытаться воздействовать на эти волны намагниченности ― модулировать их и добиться контролируемого переключения из, условно говоря, состояния 0 в состояние 1 и обратно.

До сих пор обеспечить модуляцию спиновых волн можно было с помощью специальной обвязки с использованием электрического тока. Но это сложно и ведёт к росту шумов, что затрудняет измерения. Учёные из MIT предложили управлять спиновой волной с помощью доменных стен ― условных границ между двумя зонами намагниченности. Для этого была разработана наноплёночная структура из двух наноплёнок кобальта и никеля, каждая из которых была толщиной несколько атомов. После этого плёнки зажали с двух сторон магнитными материалами со специальной решётчатой структурой и включили всё это в цепь.

В процессе эксперимента выяснилось, что при прохождении доменной стены спиновая волна меняла фазу на 180 градусов, а её амплитуда уменьшалась. Это оказалось возможным зафиксировать и не требовало никаких затрат энергии на переключение. Более того, положение доменной стены удалось контролировать с помощью той же самой спиновой волны. Для этого достаточно было увеличить интенсивность подаваемых на вход схемы спиновых волн. Чем сильнее была амплитуда колебаний, тем ближе к источнику спиновых волн смещалась доменная стена (невозможная аналогия ― водопроводный кран начинает плыть против течения по мере усиления напора воды). Сочетание таких свойств как управляемая модуляция (переключение между двумя состояниями) и контролируемое положение «вентилей» в материале обещает новую страницу в вычислительной технике, которая граничит с квантовыми вычислителями. Опыты продолжаются.

Представлен полностью рабочий процессор на транзисторах из углеродных нанотрубок

Первый полностью рабочий процессор на транзисторах из углеродных нанотрубок произнёс свои первые слова, которыми стали «Hello, World!». Статья о работе опубликована в свежем номере издания Nature. Судя по всему, речь идёт о разработке, первое сообщение о которой прозвучало месяц назад на одном из плановых мероприятий под эгидой агентства DARPA.

Процессор на транзисторах их углеродных нанотрубок (MIT)

Процессор на транзисторах их углеродных нанотрубок (MIT)

Напомним, стартап SkyWater совместно с компанией Analog Devices разрабатывают технологию изготовления многослойных микросхем на основе транзисторов из углеродных нанотрубок. На конференции DARPA в середине июня глава SkyWater и сотрудник MIT Макс Шулакер (Max Shulaker) показал первую выпущенную на производстве кремниевую пластину с процессорами на углеродных нанотрубках. Статья в Nature, судя по всему, проливает свет на эту разработку.

Макс Шулакер с кремниевой пластиной с процессорами на CNT (DARPA)

Макс Шулакер с кремниевой пластиной с процессорами на CNT (DARPA)

Использование новых материалов для выпуска чипов необходимо по той простой причине, что полупроводники исчерпали себя с точки зрения дальнейшего снижения норм технологического процесса. Это было ведь так просто! Уменьшай размер элемента на кристалле, а всё остальное ― производительность и потребление ― приложится. Увы, после снижения разрешения до единиц нанометров дальнейший прогресс стал невозможен. По крайней мере, за разумные деньги.

MIT

MIT

Углеродные нанотрубки с их чудесными электрическими свойствами и малыми размерами (до 2 нм в диаметре) обещают высокие токи и малые задержки в существенно меньшем объёме пространства затвора транзистора. Проблема в том, что углеродные нанотрубки сегодня ― это хаос в ориентации, объёме и в чистоте материала. Учёные пока не научились выращивать отдельные нанотрубки в нужном месте (между затворами транзистора) с нужной ориентацией (от одного затвора к другому) и в необходимом количестве (в идеале ― одной трубки на транзистор). Разработка SkyWater ― это попытка борьбы с хаосом, которая похожа на положительный результат.

Разработчики создали техпроцесс, который можно реализовать на современном КМОП-производстве чипов. На кристалле обычными методами проецирования и травления создаются металлические контакты в виде затворов и проводников для сигналов и питания. Затем на кристалл осаждается массив углеродных нанотрубок, на который затем наносится специальный материал, играющий роль фоторезиста. Этот материал связывает нанотрубки и затем с помощью обработки ультразвуком выламывается вместе с ними в тех местах, где они не нужны.

Там где трубки нужны ― между затворами в качестве каналов транзисторов ― дополнительно происходит обработка фоторезиста с вымыванием значительной части лишних нанотрубок. То, что остаётся, работает в качестве каналов n- или p-типа. Проводимость (тип канала) определяется нанесением поверх нанотрубок дополнительного оксидного слоя. Это аналогично легированию полупроводников, поскольку в сами нанотрубки невозможно внести дополнительные примеси.

Остаётся проблема с чистотой материала. Для полупроводников чистота важна, но это требование не столь сильно, как в случае нанотрубок. Среди углеродных нанотрубок могут попадаться металлические. Если в затворе транзистора будет даже одна металлическая нанотрубка из сотен тысяч, то она значительно изменит характеристики транзистора. Победить это невозможно, но можно возглавить. Разработчики научились использовать такие «дефектные» транзисторы при проектировании чипа и они нормально работают в логике схемы.

Итак, что же в результате получилось? На основе транзисторов на углеродных нанотрубках группа Макса Шулакера с использованием открытого набора команд RISC-V создала 32-битный процессор с 16-битной адресацией памяти. Процессор содержит свыше 14 000 транзисторов, каждый из которых полностью рабочий, что подтверждается отработкой программы с выводом фразы «Hello, world! I am RV16XNano, made from CNTs.». Транзисторы сгруппированы в инверторы, а из инверторов построена остальная необходимая логика. Процессор отрабатывает обычные 32-битные инструкции RISC-V без каких-либо модификаций. Конечно, 14K транзисторов ― это не то, что хотелось бы увидеть, но с чего-то ведь надо начинать?

Впервые на заводе выпущен монолитный чип с транзисторами из нанотрубок и PRAM

По свидетельствам частых посетителей мероприятий DARPA, выступления инженеров на этих собраниях под эгидой Министерства обороны США редко вызывают шквал аплодисментов. Но на последней конференции DARPA в прошлый вторник это произошло. Эту честь заслужил Макс Шалакер (Max Shulaker) ― старший преподаватель Массачусетского технологического института и один из основателей молодой компании SkyWater Technology. Со сцены он объявил о выпуске на производстве первой пластины с монолитными 3D-чипами с использованием транзисторов на углеродных трубках и памятью PRAM.

DARPA

DARPA

Компания SkyWater получила самый крупный грант в рамках новой программы DARPA по возрождению электронной промышленности США (ERI). Разработка SkyWater ведёт к появлению так называемых 3DSoC ― высокоинтегрированных многослойных микросхем с логикой и памятью в максимально тесной конфигурации. Но главное, что такие чипы можно будет выпускать с применением старых техпроцессов. Сочетание высокой интеграции с новыми технологиями позволит, например, 90-нм 3DSoC оказаться в 50 раз производительнее самых современных 7-нм SoC. В пятьдесят раз!


Согласно проекту, который будет финансироваться DARPA ещё 3,5 года, на выходе должен появиться техпроцесс производства монолитных 3D-чипов с 50 млн транзисторов, 4 Гбайт энергонезависимой памяти и 9 млн сквозных соединений на квадратный миллиметр. Скорость передачи данных между слоями должна достигать 50 Тбит в секунду с потреблением менее 2 пикоджоулей на бит. Именно в этом кроется секрет высочайшей производительности ― данные остаются максимально близко к логике с минимальными задержками при доступе.

DARPA

DARPA

Ключевым элементом 3DSoC являются тончайшие межслойные переходы (соединения). Они на несколько порядков тоньше, чем другие виды межслойных соединений. Это много тоньше, чем в случае многослойной памяти 3D NAND. Такое стало возможным благодаря переходу на соединения из углеродных нанотрубок. Продемонстрированная Шалакером кремниевая пластина с монолитными чипами доказала, что это не фантастика, а реальная технология, которую можно воспроизвести не в лаборатории, а на заводе.

До конца года SkyWater Technology обещает нарастить число слоёв в монолитных чипах (пока их два ― логика и память с изменяемым фазовым состоянием вещества). Также команда разработчиков будет работать над снижением уровня брака при производстве. Наконец, ведутся работы над инструментами проектирования монолитных чипов. Компания SkyWater планирует распространять технологию производства и инструменты проектирования на основе лицензий.

DARPA

DARPA

В заключение поясним, что транзисторы на углеродных трубках выпускаются в так называемом низкотемпературном техпроцессе, что подразумевает нагрев пластины до 450 градусов по Цельсию. Обычная полупроводниковая логика при изготовлении требует нагрева до 1000 градусов, что делает невозможными многослойные монолитные чипы ― логика выгорает ещё на стадии производства. Предложенный компанией SkyWater техпроцесс открывает путь к созданию многослойных решений без риска отправить продукцию в брак.

Представлен сверхпроводящий транзистор из графена

Сказано немного громко, но учёные действительно смогли поставить эксперимент, в котором структура из графена способна переключаться из одного фазового состояния в другое под воздействием управляющего напряжения. Сразу уточним, что поставленный в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли эксперимент лишь подтвердил представленные ранее теоретические обоснования, что говорит о предельно раннем этапе исследований. Учёным ещё предстоит пройти длинный путь, чтобы транзистор из графена стал коммерческим продуктом.

Экспериментальная структура под электронным микроскопом (Guorui Chen/Berkeley Lab)

Экспериментальная структура под электронным микроскопом (Guorui Chen/Berkeley Lab)

Статья, посвящённая исследованию, опубликована в журнале Nature. Имитирующая транзистор структура представляет собой три слоя графена, каждый из которых толщиной в один атом, и два слоя нитрида бора по одному сверху и снизу графенового пакета. Также к слоям нитрида бора подведены электроды для создания управляющего поля. Для работы структуру пришлось охладить до температуры около 5 К. Поскольку теория для сверхпроводимости при высоких температурах имеет массу белых пятен, подбирать значения управляющих напряжений и температуру охлаждения пришлось экспериментально, с чем учёные успешно справились.

При одном значении напряжения (силе вертикального электромагнитного поля) «транзистор» прекращал проводить электрический ток ― находился в закрытом состоянии, а при повышении мощности или при дальнейшем снижении температуры (ниже 40 милликельвин) превращался в сверхпроводник и проводил электричество. Физика процесса при этом следующая. Строение нитрида бора шестиугольное, которое напоминает строение графена, но из-за разницы расстояний между атомами совпадает с ним только на определённых участках. При наложении структур (листов) образуется так называемая муаровая сверхрешётка с регулярно чередующимися (примерно через 10 нм) участками почти полного совпадения. «Транзисторные переходы» возможно создавать как раз в таких зонах.

Сверхрешётка из листов графена и нитрида бора (Guorui Chen/Berkeley Lab)

Муаровая сверхрешётка из листов графена и нитрида бора (Guorui Chen/Berkeley Lab)

При температуре около 5 К и до определённого значения напряжения структура представляет собой моттовский диэлектрик. В теории она должна проводить электроны, но из-за сильного взаимодействия электронов этого не происходит. Нарушить равновесие и перевести структуру в режим сверхпроводимости можно либо с помощью сильного электромагнитного поля, либо в случае дальнейшего охлаждения структуры. Тогда создадутся условия, при которых электроны локально перестанут удерживать друг друга и устремятся в «колодцы» в зонах совпадения кристаллических решёток, а «транзистор» перейдёт в открытое состояние.

Российские учёные представили оптический транзистор, работающий при комнатной температуре

Сегодня для работы с оптикой на уровне электронных схем требуются достаточно сложные и сравнительно крупные элементы: полупроводниковые лазеры, фотоэлементы, волноводы и сопутствующие конструкции для управления световыми потоками в составе чипа. Пока всё это используется только для передачи данных (и от этого уже есть эффект в виде снижения потребления интерфейсов), хотя настоящий прорыв произойдёт только тогда, когда получится создать полностью оптический транзистор. К сожалению, в силу своей физической природы фотоны слабо взаимодействуют друг с другом и с материей. Впрочем, при температурах, близких к абсолютному нулю, в полупроводниках возникают явления тип квантовых колодцев, когда фотон может стать «материальным» ― начать взаимодействовать с материалом и, следовательно, становится управляемым. А управляемый фотон ― это не что иное, как следствие работы полностью оптического транзистора.

Как сообщает информагентство РИА, группа учёных из «Сколтеха» совместно с исследователями из цюрихского центра компании IBM создали оптический транзистор, способный работать при комнатной температуре. Информация о разработке представлена на сайте журнала Nature Photonics (к полной статье доступ платный). Повысить рабочую температуру оптического транзистора до окружающей удалось благодаря переходу на такой органический материал (полимер), как полипарафенилен (MeLPPP). Этот материал также как полупроводники характеризуется наличием квантовых колодцев ― чередующихся зон с меньшей шириной запрещённой зоны, окружённых участками с большей шириной запрещённой зоны. Но и это не всё.

Оперировать приходится не чистым фотоном, а квазичастицей, которая возникает в ходе взаимодействия фотона и элементарного возбуждения среды (материала). Такая виртуальная частица называется поляритон. В данном случае учёные научились управлять экситон-поляритоном (exciton-polaritons). Эта квазичастица возникает при взаимодействии фотонов с возбуждением в диэлектрике. Тем самым задача по созданию оптической логики разбивается на две части. Фотоны превращаются в экситон-поляритоны (происходит как бы расщепление светового потока или вычленение квазичастиц), и только потом появляется возможность использовать экситон-поляритоны для переключения и усиления сигнала, что аналогично работе транзистора.

Конструктивно поляритон представляет собой оптический резонатор из двух отражающих волны зеркал вокруг квантового колодца со световой волной внутри. Квантовый колодец в данном случае ― это атом активного материала с вращающимся вокруг него электроном. Эта структура может поглощать фотон и излучать его. Эксперименты с подобным оптическим «транзистором» показали, что структура демонстрирует усиление на уровне 10 дБ мкм-1 и скорость переключения быстрее пикосекунды. Что важно, на основе оптического транзистора учёные создали каскадный усилитель и логические элементы, а не просто доказали работоспособность отдельной транзисторной структуры. Что же, процессоры на оптических транзисторах обретают какие-то контуры. Когда-нибудь они могут стать реальностью.

Китайские учёные разработали 3-нм транзистор

По сообщению китайского издания South China Morning Post, группа китайских исследователей из Института микроэлектроники китайской академии наук разработала транзистор, который можно будет выпускать в рамках 3-нм техпроцесса. В отличие от 3-нм структуры транзистора компании Samsung, предполагающей переход на полностью окружённые затворами каналы в виде наностраниц, «китайский» 3-нм транзистор выполнен в виде каналов из вертикальных FinFET-рёбер, окружённых затворами только с трёх сторон. Другое отличие китайской разработки заключается в материале, из которого изготавливается транзистор. Это ферроэлектрик, и в этом суть изобретения. Кстати, на него уже выдан патент.

Эволюция транзисторов (Samsung)

Эволюция транзисторов (Samsung)

Проблема при изготовлении 3-нм транзистора даже не в том, что его размеры становятся слишком маленькими (сравнимыми, например, с нитью ДНК). Препятствием для уменьшения размера транзистора является так называемая больцмановская тирания (Boltzmann Tyranny). Это фундаментальное ограничение, которое сопровождается снижением рассеивания мощности в процессе работы электронного прибора. Попросту говоря, после определённого уменьшения размера транзистора он перестаёт рассеивать рабочее тепло и, следовательно, сгорает. Чтобы этого не произошло, необходимо снижать питание, но ниже порогового значения опуститься нельзя. Это противоречит физике процессов в полупроводниках. И тогда на помощь приходят ферроэлектрики. Точнее, такое теоретически известное и парадоксальное явление в ферроэлектриках, как отрицательная ёмкость.

Устойчивый отрицательный конденсатор впервые представлен физически всего лишь два неполных месяца назад. Но это явление предсказывалось давно и даже воспроизводилось экспериментально, но с соблюдением строго заданных условий. Суть явления в том, что по мере роста напряжения ёмкость не увеличивается, а уменьшается. Это позволит снизить напряжение питания ниже порогового значения. Китайские разработчики сумели воплотить эффект отрицательной ёмкости в конструкции 3-нм транзистора. Если верить поставленным экспериментам, напряжение питания транзисторов удалось снизить в два раза по сравнению с теоретическим минимумом.

На следующем этапе китайские учёные намерены создать техпроцессы для коммерческого внедрения разработки. Однако они соглашаются, что на это уйдёт несколько лет. Для поощрения процесса китайские власти готовы освободить компании, желающие заняться внедрением разработки, от уплаты налога сроком на 5 лет. Если всё получится, Китай сократит отставание от мировых лидеров по производству полупроводников.

Samsung рассказала о транзисторах, которые придут на смену FinFET

Как неоднократно сообщалось, с транзистором размерами менее 5 нм надо что-то делать. Сегодня производители чипов самые передовые решения выпускают с использованием вертикальных затворов FinFET. Транзисторы FinFET ещё можно будет выпускать с использованием 5-нм и 4-нм техпроцесса (что бы ни понималось под этими нормами), но уже на этапе производства 3-нм полупроводников структуры FinFET перестают работать так, как надо. Затворы транзисторов оказываются слишком малы, а управляющее напряжение недостаточно низким, чтобы транзисторы продолжали выполнять свою функцию вентилей в интегральных схемах. Поэтому отрасль и, в частности, компания Samsung, начиная с 3-нм техпроцесса перейдёт на изготовление транзисторов с кольцевыми или всеохватывающими затворами GAA (Gate-All-Around). Свежим пресс-релизом компания Samsung как раз представила наглядную инфографику о структуре новых транзисторов и о преимуществе их использования.

Samsung

Samsung

Как показано на иллюстрации выше, по мере снижения технологических норм производства затворы прошли путь от планарных структур, которые могли контролировать одну-единственную область под затвором до вертикальных каналов, окружённых затвором с трёх сторон и, наконец, приблизились к переходу на каналы, окружённые затворами со всех четырёх сторон. Весь этот путь сопровождался увеличением площади затвора вокруг управляемого канала, что позволяло снижать питание транзисторов без ущерба для токовых характеристик транзисторов, следовательно, вело к увеличению производительности транзисторов и к снижению токов утечек. Транзисторы GAA в этом плане станут новым венцом творения и при этом не потребуют значительной переделки классических КМОП-техпроцессов.

Samsung

Samsung

Окружённые затвором каналы могут выпускаться как в виде тонких перемычек (нанопроводов), так и в виде широких мостов или наностраниц. Компания Samsung сообщает о выборе в пользу наностраниц и заявляет о защите разработки патентами, хотя все эти структуры она разрабатывала, ещё входя в альянс с IBM и другими компаниями, например, с AMD. Новые транзисторы Samsung будет называть не GAA, а патентованным именем MBCFET (Multi Bridge Channel FET). Широкие страницы каналов обеспечат значительные токи, которые трудно достижимы в случае нанопроводных каналов.

Samsung

Samsung

Переход к кольцевым затворам позволит также увеличить энергоэффективность новых транзисторных структур. Это означает, что напряжение питания транзисторов можно уменьшить. Для FinFET структур условным порогом снижения питания компания называет 0,75 В. Переход на транзисторы MBCFET опустит эту границу ещё ниже.

Samsung

Samsung

Следующим преимуществом транзисторов MBCFET компания называет необычайную гибкость решений. Так, если характеристиками транзисторов FinFET на стадии производства можно управлять только дискретно, закладывая в проект определённое число рёбер на каждый транзистор, то проектирование схем с транзисторами MBCFET будет напоминать тончайший тюнинг под каждый проект. И это будет сделать очень просто: достаточно будет выбрать необходимую ширину каналов-наностраниц, а этот параметр можно изменять линейно.

Samsung

Samsung

Для производства MBCFET-транзисторов, как уже сказано выше, классический техпроцесс КМОП и установленное на заводах промышленное оборудование подойдут без значительных изменений. Небольшой доработки потребует только этап обработки кремниевых пластин, что вполне объяснимо, и всё. Со стороны контактных групп и слоёв металлизации даже не придётся ничего менять.

Samsung

Samsung

В заключение Samsung впервые даёт качественную характеристику тем улучшениям, которые принесёт с собой переход на 3-нм техпроцесс и транзисторы MBCFET (уточним, Samsung прямо не говорит о 3-нм техпроцессе, но ранее она сообщала, что 4-нм техпроцесс всё ещё будет использовать транзисторы FinFET). Итак, по сравнению с 7-нм FinFET техпроцессом переход на новые нормы и MBCFET обеспечит снижение потребления на 50 %, увеличение производительности на 30 % и уменьшение площади чипов на 45 %. Не «или, или», а именно в совокупности. Когда это произойдёт? Может так статься, что уже к концу 2021 года.

Intel нашла замену транзистору: предложен необычный логический элемент с памятью

Вопрос дальнейшего снижения масштабов техпроцесса волнует всех производителей полупроводников и компанию Intel в частности. Уменьшение размеров элементов на кристалле позволяет снижать как питание и потребление, так и увеличивать рабочие частоты. И хотя до теоретического предела работы традиционных КМОП-процессов ещё есть небольшой запас, проблемы с переходом на 10-нм технологические нормы показали, что каждый следующий нанометр надо вырывать у природы с неимоверными усилиями и затратами. При этом всем очень хочется, чтобы даже в эру после КМОП процессорные архитектуры продолжали соответствовать фон-неймановским. Это привычно и даёт возможность использовать опыт многих десятилетий. Реально ли это? В Intel считают, что реально.

Как сообщают в Intel, в журнале Nature опубликованы результаты совместной разработки специалистов компании и учёных из калифорнийского Университета в Беркли и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory). В публикации сообщается о разработке логического элемента будущего. Элемент называется MESO: magneto-electric spin-orbit или, по-русски, магнитоэлектрический спин-орбитальный (МЭСО). По сравнению с транзисторами логика МЭСО может переключаться с напряжением в 5 раз меньшим, чем транзисторы в логике КМОП. В эксперименте элемент переключался с напряжением 500 мВ, но расчёты показывают, что переключение также будет происходить при напряжении 100 мВ.

Снижение напряжения для переключения элемента автоматически ведёт к снижению потребления и токов утечек. Разработчики считают, что МЭСО-логика уменьшит потребление чипов от 10 до 30 раз и обеспечит сверхнизкое потребление в ждущем режиме. Нетрудно представить, что разработка обещает толкнуть вычислительные архитектуры далеко вперёд, что в эру ИИ может оказать неоценимую услугу отрасли и людям. Мы же не хотим конкурировать со Скайнет за доступ к электростанциям? Шутка.

Но на этом вся прелесть в МЭСО не заканчивается. Этот элемент может также хранить информацию — как минимум один бит данных на один элемент. Тем самым информация может храниться там, где она обрабатывается. Мозги 2.0? Фишка в том, что в качестве материала для ячейки МЭСО используется мультиферроик в виде соединения висмута, железа и кислорода (BiFeO3). Мультиферроики (в советской литературе — сегнетомагнетики) отличаются тем, что в них существуют две и более упорядоченности. В противовес им, например, в ферромагнетике под воздействием внешнего электромагнитного поля проявляется намагниченность, а в сегнетоэлектриках — начинает течь ток.

В мультиферроиках в виде соединения BiFeO3 атомы кислорода и железа внутри решётки из висмута создают электрический диполь и связанный с ними магнитный (спиновый) момент. Меняя направление электрического диполя с помощью напряжения переключения, также изменяется направление намагниченности. Последнее можно записать и позже считать как данные (0 или 1). Вторая часть аббревиатуры МЭСО — спин-орбитальный — означает, что считывание и запись данных происходит с использованием эффекта переноса вращательного момента, используя для этого спин-орбитальный момент электронов. Логический элемент и память в одной элементарной структуре — это очень интересно!

Предложен новый вариант одноатомного транзистора

Транзисторы размером с один атом остаются неблизким, но неизбежным рубежом, после которого невозможно будет развивать данный тип электронных приборов. Исследователи давно изучают данный рубеж, чтобы понять насколько близко и как скоро мы сможем к нему приблизиться. Очередной экспериментальный одноатомный транзистор создали в Технологическом институте Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT). Разработка стала продолжением серии экспериментов по созданию одноатомного транзистора в жидком электролите. Новая структура создана в твёрдом электролите и может считаться уникальной.

экспериментальный одноатомный транзистор разработки Технологического института Карлсруэ (KIT)

Экспериментальный одноатомный транзистор разработки Технологического института Карлсруэ (KIT)


Отмечается, что предложенный в KIT транзистор может стать основой квантовых вычислительных систем. При этом он работает при комнатной температуре, а не с охлаждением до −273 °C, как современные квантовые коммутаторы. Но даже для традиционной вычислительной и другой электроники разработка сулит немыслимое — снижение потребления для транзисторов более чем в 10 000 раз.

Высокая энергоэффективность предложенной транзисторной структуры достигнута также за счёт того, что разработчики отказались от полупроводников в пользу исключительно металлов. Транзистор представляет собой два металлических контакта с зазором между ними в один атом. В зазоре находится твёрдый электролит, полученный из жидкого состояния путём высокотемпературного воздействия. С помощью импульса тока, приложенного к контактам, в зазор вводится атом серебра, который замыкает цепь (транзистор переходит в открытое состояние). Обратный импульс выводит атом серебра из зазора, размыкая цепь и запирая транзистор.

Современная электроника и вычислительные мощности во всём мире потребляют около 10 % вырабатываемой электростанциями электроэнергии. В этом свете вопрос снижения потребления транзисторов крайне актуален, уверены в институте. Может так статься, что именно эта разработка окажется востребованной отраслью и приблизит создание электроники с никогда не разряжающейся батарейкой.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥