Теги → транзисторы
Быстрый переход

Samsung представила технологию производства чипов 17LPV — гибрид 14- и 28-нм техпроцессов

Компания Samsung анонсировала новый 17-нм техпроцесс, предназначенный для производства продуктов, которые сейчас производятся с использованием планарного 28-нм техпроцесса, но могли бы получить определённые преимущества при переходе на 14-нм техпроцесс FinFET. Всё же, большая часть полупроводниковой продукции сейчас выпускается по отнюдь не самым передовым техпроцессам, и Samsung предлагает им возможность улучшения.

Источник: anandtech.com

Источник: anandtech.com

При разработке полупроводниковых компонентов всегда учитываются проектные нормы. Поэтому нельзя просто так начать производить компоненты, разработанные под 28-нм техпроцесс на более современных 14-нм линиях, так как на них применяется совершенно разный подход к формированию микросхем, не говоря уже об отличиях в конструкции самих транзисторов.

При производстве учитываются два или три основных сегмента. Производство начинается с этапа Front-End-Of-Line (FEOL) — формирования активных частей кристалла. Когда говорят о передовых технологиях, подразумевается именно FEOL, на котором реализуются наиболее совершенные средства создания кремниевых элементов. Далее следует этап Back-End-Of-Line (BEOL) — формирование межсоединений и вспомогательных подключений. Иногда говорят о промежуточном этапе Middle-End-of-Line (MEOL), на котором формируются крошечные металлические структуры, которые подключаются к линиям BEOL.

При описании технологий, например, 28 нм, предусматриваются проектные нормы для обоих этапов — FEOL и BEOL. Но в отдельных случаях производители объединяют одни проектные нормы FEOL с другими BEOL, чтобы создать линейку продуктов с некоторыми особенностями обоих сегментов. Именно так был реализована новая 17-нм технология 17LPV (Low Power Value), анонсированная в рамках мероприятия Samsung Foundry Forum.

Источник: samsung.com

Источник: samsung.com

Технология 17LPV объединяет 14-нм FEOL (и, соответственно, 14-нм FinFET-транзисторы) с межсоединениями 28-нм BEOL. Это значит, что за дополнительную плату заказчики могут получить преимущества производительности и энергопотребления технологии FinFET без дополнительных затрат на более плотные BEOL. Как уточнила компания Samsung, технология 17LPV обеспечивает уменьшение площади компонента на 43 %, увеличение производительности на 39 % или повышение энергоэффективности на 49 % в сравнении с 28-нм аналогами.

На практике решения на основе 17LPV смогут использоваться, например, в сигнальных процессорах обработки изображения с камеры, где не требуется максимальная плотность элементов. Кроме того, Samsung будет использовать технологию при производстве дисплеев — на компонентах высокого напряжения.

Samsung также представила технологию 14LPU (Low Power Ultimate) схожего предназначения и, вероятно, архитектуры, которая будет применяться во встроенных MRAM и микроконтроллерах. Компания пока не стала уточнять сроков внедрения новых решений, однако представители Samsung Foundry назвали данные технологии «сменой парадигмы» для компании, которая позволит усовершенствовать специализированные компоненты.

Учёные из Сколтеха и IBM представили новый оптический транзистор, который в 1000 раз быстрее обычного

Переход на оптические транзисторы, которые используют для переключения свет и даже одиночные фотоны, обещает тысячекратно повысить скорость работы процессоров без повышения энергозатрат. Сегодня учёные ищут оптимальные условия для работы таких транзисторов. Достаточно далеко по этому пути прошли учёные из Сколтеха и IBM, которые предложили физику и технологию переключений состояний оптических коммутаторов.

Источник изображения: Сколтех

Источник изображения: Сколтех

Сами по себе фотоны пренебрежимо слабо взаимодействуют друг с другом и с материей. Чтобы фотоны могли переключать состояния транзистора необходимо создать им такую среду, в которой взаимодействие с фотонами носило бы сильный характер. Исследователи из Сколтеха и IBM годами шли к этой цели и добились значимых результатов. Промежуточные результаты выглядели скромно, но сегодня они помогли сформировать представление о том, как может выглядеть оптический транзистор будущего.

Новая структура оптического транзистора строится вокруг полимерного оптического резонатора, зажатого с двух сторон неорганическим материалом с высокими светоотражающими свойствами. Структура управляется двумя лазерными лучами — контрольным и накачки. Контрольный луч может оперировать малым числом фотонов вплоть до одного, что создаёт основу для предельной энергоэффективности (что может быть экономичней одного фотона?). Задача контрольного луча — подготовить в резонаторе условия перед запуском луча накачки, который, в свою очередь, переведёт транзистор в состояние 0 или 1.

Более сильный луч накачки возбуждает в резонаторе так называемые экситон-поляритоны — гибридные состояния света и вещества с очень малым временем жизни. Это квазичастицы, образующиеся при взаимодействии фотонов и других квазичастиц — экситонов. Экситоны же представлены электронным возбуждением в среде, в частности, обычными связанными парами электрона и дырки. Составные квазичастицы из фотонов и экситонов называются экситон-поляритонами. Запуск в структуру резонатора контрольного луча обеспечивает большее или меньшее количество экситон-поляритонов. Если этих составных квазичастиц больше, транзистор переводится в состояние 1, если меньше — в 0.

Чуть подробнее о процессе можно прочесть в официальном пресс-релизе. Статья о работе опубликована в журнале Nature. В отдалённой перспективе работа может привести к появлению оптических процессоров с транзисторами со скоростью переключения от 100 до 1000 раз большей, чем сегодня. При этом уровень тепловыделения будет сведён к незначительным величинам, что вовсе не потребует систем охлаждения при работе в условиях комнатных температур.

Учёные придумали транзистор нового типа, который поможет справиться с «концом техпроцессов»

Учёные из США предложили технологию создания транзисторов с потенциально лучшими характеристиками, чем у актуальных решений. Это может обеспечить рост производительности процессоров даже в эпоху «конца техпроцессов». Идею такого транзистора подсмотрели у квантово-каскадных лазеров и уже подали заявку на патент.

Источник изображения: Tillmann Kubis

Источник изображения: Tillmann Kubis

В 1971 году в журнале «Физика и техника полупроводников» советские физики Казаринов и Сурис в статье «Возможности усиления электромагнитных волн в полупроводниках со сверхрешеткой» высказали идею, что при проходе потока электронов сквозь гетерогенную структуру происходит усиление электромагнитных волн, что позволит генерировать лазерное излучение с небольшими затратами энергии. В таком «слоёном печенье» происходит усиление сигнала без проявления туннельных эффектов, что проще поддаётся управлению.

Группа учёных из Университета Пёрдью в штате Индиана предположила, что усилительный принцип переноса электронов через сверхрешётку также будет работать применительно к транзисторам, если сверхрешётку — «зебру» из чередующихся полупроводниковых материалов — поместить на пути движения потока электронов от одного затвора к другому. Так родилась концепция каскадного полевого транзистора CasFET.

Теоретически, транзистор CasFET будет работать с предельно малыми токами переключений состояния, что значительно повысит энергоэффективность прибора. Правда, учёные пока не сделали ни одного такого транзистора, чтобы изучить его характеристики на практике. Зато заявка на патент уже подана, а заинтересованные производители могут обращаться за консультациями.

Sony купила у Intel патенты на разработку GAA-транзисторов

В ноябре и декабре прошлого года компания Sony купила у Intel 35 патентов, связанных с разработкой технологии изготовления транзисторов, окружённых затворами или GAA (gate-all-around), пишет издание Business Korea.  

Концепция GAA рассматривается производителями полупроводников в качестве транзисторной структуры нового поколения, открывающей возможность к дальнейшему совершенствованию микросхем. Каждый полупроводниковый чип содержит огромное число транзисторов, и важность затвора как регулятора тока возрастает по мере уменьшения размера транзистора.

На текущий момент компания Samsung Electronics обладает передовыми наработками в сфере разработки GAA-транзисторов. Следом за ней идут TSMC и Intel. Покупка патентов у Intel позволила Sony подняться выше в списке производителей, связанных с разработкой GAA-транзисторов.

Согласно индустриальным источникам, японская компания собирается использовать эти патенты при разработке своих будущих продуктов. Учитывая текущее направление бизнеса Sony, она, вероятно, планирует их применять при производстве новых датчиков изображения.

«Применение этих патентов в текущих продуктах компании маловероятно, однако они могут быть полезны в разработке будущих технологий микрообработки. Похоже, Sony решила приобрести патенты, чтобы сделать свои будущие продукты более конкурентоспособными», — отметил один из источников корейского издания.

В России создали необычный сверхчувствительный детектор терагерцового излучения

Физики Московского физико-технического института с коллегами из Московского педагогического государственного университета и университета Манчестера создали высокочувствительный детектор терагерцового излучения на основе туннельного эффекта в графене. Фактически в детектор был превращён полевой туннельный транзистор, который смог открываться сигналами «из воздуха», а не переданными по обычным цепям.

Квантовое туннелирование. Источник изображения: Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ

Квантовое туннелирование. Источник изображения: Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ

Сделанное открытие, в основу которого были положены предложенные ещё в начале 1990-х годов идеи физиков Михаила Дьяконова и Михаила Шура, приближает эпоху беспроводных терагерцовых технологий. Это означает, что скорость беспроводной связи возрастёт многократно, а радарные технологии и технологии для систем безопасности, радиоастрономии и медицинской диагностики поднимутся на качественно новый уровень.

Идея российских физиков заключалась в том, что туннельный транзистор было предложено использовать не для усиления сигнала и демодуляции, а как прибор, который «сам по себе превращает модулированный сигнал в последовательность битов или голосовую информацию благодаря нелинейной зависимости между током и напряжением». Иначе говоря, туннельный эффект может возникать при крайне низком уровне сигнала на затворе транзистора, что позволит транзистору инициировать туннельный ток (открываться) даже от очень слабого сигнала.

Почему не подходит классическая схема использования транзисторов? При переходе в терагерцовый диапазон большинство существующих транзисторов не успевают получить нужный заряд, поэтому классическая радиотехническая схема с усилителем слабых сигналов на транзисторе с последующей демодуляцией становится неэффективной. Необходимо либо совершенствовать транзисторы, что тоже работает до определённого предела, либо предлагать что-то совершенно иное. Российские физики как раз это «иное» и предложили.

Графеновый туннельный транзистор  в качестве терагерцового детектора. Источник изображения: Nature Communications

Графеновый туннельный транзистор в качестве терагерцового детектора. Источник изображения: Nature Communications

«Идея сильной реакции туннельного транзистора на малые напряжения известна около пятнадцати лет, — рассказывает один из авторов исследования, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Дмитрий Свинцов. — До нас никто не осознавал, что это же свойство туннельного транзистора может быть применено в технологии терагерцовых детекторов». Как установили учёные, «если транзистор хорошо открывается и закрывается при малой мощности управляющего сигнала, то он должен и хорошо улавливать слабый сигнал из воздуха».

Для эксперимента, о котором рассказано в журнале Nature Communications, создали туннельный транзистор на двухслойном графене. Эксперимент показал, что чувствительность устройства в туннельном режиме на несколько порядков превосходит аналогичную величину в режиме классического транспорта. Тем самым опытный транзистор-детектор оказался не хуже по чувствительности, чем аналогичные доступные на рынке сверхпроводниковые и полупроводниковые болометры. Теория подсказывает, что чем чище будет графен, тем выше будет чувствительность, что далеко превосходит возможности современных терагерцовых детекторов, а это уже не эволюция, а революция в отрасли.

Японцы научились печатать быстрые TF-транзисторы из органики. Могут появиться необычные дисплеи

Группа исследователей из Токийского университета на днях опубликовала работу о новом методе печати тонкоплёночных транзисторов из органических полупроводниковых материалов (OSC). Утверждается, что разработаны элементы техпроцесса, в ходе реализации которого получаются маломощные транзисторы с высочайшей для органических материалов скоростью переключения. Открытие может привести к появлению лёгких и гибких дисплеев с отличными характеристиками.

Пример гибкого дисплея

Пример гибкого дисплея

Идея, которая пришла в голову японским учёным, граничит с парадоксом. В процессе выращивания тонких полупроводниковых плёнок исследователи сочетали жидкие материалы и лиофобную основу. Иначе говоря, жидкие ингредиенты отталкивались от основы и не связывались с ней. Подобное сочетание привело к интересному эффекту.

Жидкие растворы с органическими материалами, которые должны были превратиться в твёрдую полупроводниковую плёнку — часть будущих тонкоплёночных транзисторов — из-за действия сил отталкивания и поверхностного натяжения равномерно распределялись по обширной поверхности. Распределение было настолько равномерным (чему также помогали специальные приспособления и U-образная форма окаймления из металлической фольги на подложке), что процесс выращивания транзисторов (слоёв) шёл равномерно на всей подложке.

Эксперименты с получившимися транзисторами показали, что для их работы на высоких скоростях требуется очень низкое напряжение, что снизит энергопотребление подобных массивов. Скорость переключения достигала теоретических возможностей органических полупроводниковых материалов, что весьма обнадёживает. На основе подобных TF-транзисторов можно будет выпускать гибкие и сворачиваемые дисплеи на жидких кристаллах или электронных чернилах, а может быть ещё что-то новое и необычное.

Экспериментальный массив TF-транзисторов, изготовленный учёными (иллюстрация из статьи Science Advances)

Экспериментальный массив TF-транзисторов, изготовленный учёными (иллюстрация из статьи Science Advances)

«Мы использовали свойство текучести, которое вы, вероятно, видите каждый раз, когда моете руки с мылом, — сказал профессор Китахара. — Мыльные пузыри могут сохранять форму за счёт снижения поверхностного натяжения жидкости. Мы полагали, что механизм мыльной пленки должен быть эффективным для образования тонкого жидкого слоя на лиофобных поверхностях, несмотря на отталкивающие силы. Твердые полупроводниковые пленки можно формировать и выращивать за счет образования тонких жидких слоев в процессе печати».

Данные об исследовании опубликованы в издании Science Advances. Рекомендаций для прямого коммерческого использования опыта учёные не дали.

TSMC: переход к 3-нм техпроцессу увеличит производительность на 15 % или до 30 % сократит энергопотребление

Контрактный производитель полупроводниковых изделий TSMC, контролирующий более половины рынка соответствующих услуг, на ежегодном мероприятии Technology Symposium раскрыл подробности не только о 3-нм технологии, но и о дальнейших разработках.

Источник изображения: AnandTech

Источник изображения: AnandTech

Прежде всего, компания сочла нужным в очередной раз сообщить, что задержек с освоением 3-нм технологии не ожидается. Опытное производство 3-нм чипов будет запущено в следующем году, а до стадии массового производства компания доберётся во второй половине 2022 года. Перед этим 5-нм техпроцесс в своём развитии тоже пройдёт несколько стадий.

Источник изображения: AnandTech

Источник изображения: AnandTech

Сейчас уже выпускаются 5-нм продукты первого поколения. Они обеспечивают прирост быстродействия транзисторов на 15 % по сравнению с 7-нм изделиями либо позволяют снизить энергопотребление на 30 % при неизменной производительности. Плотность размещения транзисторов при этом выросла в 1,8 раза по сравнению с 7-нм техпроцессом.

Второе поколение 5-нм техпроцесса с условным обозначением N5P доберётся до стадии массового производства в следующем году. Оно поднимет быстродействие транзисторов на 5 %, либо позволит на десять процентов снизить энергопотребление. Заготовлен у TSMC и так называемый 4-нм техпроцесс (N4), который станет более дешёвой альтернативой 3-нм. Опытное производство 4-нм продукции стартует в четвёртом квартале следующего года, массовое — только в 2022 году.

Освоение 5-нм техпроцесса с точки зрения плотности дефектов сейчас продвигается с опережением на квартал относительно графика, присущего 7-нм технологии. Если говорить о 3-нм техпроцессе в исполнении TSMC, то компания собирается опираться на уже проверенные FinFET-структуры, в отличие от Samsung, которая экспериментирует с так называемыми GAA-транзисторами (gate-all-around, «полностью окружённые затворами»).

Техпроцесс 3 нм позволит поднять быстродействие транзисторов на 10–15 % относительно 5 нм, либо сократить энергопотребление на 25–30 % при аналогичной производительности. Плотность размещения транзисторов должна увеличиться в 1,7 раза. Ячейки памяти SRAM при переходе на 3-нм техпроцесс увеличат плотность размещения элементов на 20 %, аналоговые компоненты могут ограничиться увеличением плотности в 1,1 раза.

Эру «после 3 нм» TSMC собирается покорять уже при помощи альтернативных материалов, а не только кремния. Углеродные нанотрубки и нанопроводники должны получить распространение в этой сфере. Разработки на данном направлении TSMC ведёт ещё с 2019 года, но консерватизм в отношении 3-нм техпроцесса позволяет предположить, что в серийном производстве компания будет внедрять только самые проверенные и надёжные решения.

Американские исследователи совершили ещё один шаг к квантово-фотонным вычислениям

Одним секундным нажатием кнопки на лазерной указке мы отправляем в путь квинтильоны фотонов. Но для создания квантово-фотонных компьютеров необходимы условные транзисторы, способные излучать одиночный фотон, что на современном этапе развития науки и техники сделать крайне сложно. Американские учёные обнаружили путь к таким «транзисторам» и даже смогли разглядеть их в специально созданный «нанооптический» микроскоп.

Зонд нанооптического микроскопа с лазерной подсветкой позволяет рассмотреть объект размерами 10 нм (Nicholas Borys/Montana State University)

Зонд нанооптического микроскопа с лазерной подсветкой позволяет рассмотреть объект размерами 10 нм (Nicholas Borys/Montana State University)

Уже какое-то время известно, что однофотонные излучатели могут возникать на поверхности 2D-материалов — структур толщиной с один атом. Считалось, что такие однофотонные излучатели возникают в местах дефектов кристаллической структуры. Например, ранее подобные «очаги» по излучению одиночных фотонов были выявлены в дефектах кристаллической структуры алмазов. С 2D-материалами проблема была в том, что для обнаружения источника излучения одиночных фотонов обычные оптические микроскопы не подходят, поскольку не позволяют увидеть объект размерами менее 500 нм. Для изучения процесса требовалось что-то новое. И это новое предложили учёные из Колумбийского университета и Университета штата Монтана.

Исследователи создали «нанооптический» микроскоп с разрешением 10 нм. Новый прибор позволил установить, что однофотонные излучатели на поверхности 2D-материалов образуются не в местах дефектов, а в складках материала, которые возникают на участках напряжённости в материале. Напряжённость же можно создать искусственно с помощью пузырьков с газом или жидкостями, что открывает путь к контролируемому образованию однофотонных излучателей на поверхности 2D-материалов, что учёные успешно показали в эксперименте с диселенидом вольфрама (WSe2).

Между двумя 2D-материалами ― диселенидом вольфрама сверху и слоем нитрида бора снизу — были созданы карманы (пузырьки) с газом. На границах пузырьков образовались складки напряжённости 2D-материала в виде бублика. Всё это удалось рассмотреть в нанооптический микроскоп и зафиксировать одиночные излучения фотонов в этих областях. При этом важно отметить, что все явления происходили при комнатной температуре.

«Наши результаты означают, что полностью перестраиваемые при комнатной температуре однофотонные излучатели теперь в наших руках, что прокладывает путь к управляемым и практическим квантовым фотонным устройствам», ― замечает один из авторов исследования Джеймс Шак. «Эти устройства могут стать основой для квантовых технологий, которые глубоко изменят вычислительные, сенсорные и информационные технологии, какими мы их знаем».

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.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥
Aliens: Fireteam Elite уже 14 декабря попадёт в Xbox Game Pass и получит второе сезонное обновление 46 мин.
Анонс точной даты выхода симулятора выживания Sons of the Forest сопроводили жутковатым трейлером 56 мин.
Релиз карточного приключения Card Shark перенесли на 2022 год 2 ч.
Rockstar отложила запуск сборника Grand Theft Auto: The Trilogy — The Definitive Edition в рознице 2 ч.
Valve подтвердила, что не заинтересована в выпуске эксклюзивных игр для Steam Deck 2 ч.
Шутер Clid The Snail про антропоморфную улитку доползёт до ПК к середине декабря 2 ч.
AdDuplex: число пользователей Windows 11 почти удвоилось за прошедший месяц 2 ч.
Новая статья: Искусство бережливости: 10 способов сэкономить при помощи специализированных приложений и веб-сервисов 10 ч.
Глава застопорившегося криптовалютного проекта Meta покинул компанию 11 ч.
К обязательному для предустановки софту правительство РФ добавило приложения для чтения электронных книг 11 ч.