Cinque diverse strutture di test presentano pile di nanofili con un diverso numero di livelli. La struttura inferiore ha un solo livello; la struttura superiore ne ha cinque. Immagini:Judy Hoyt, Pouya Hashemi e Leonardo Gomez
(PhysOrg.com) -- I computer continuano a diventare più potenti perché i transistor al silicio continuano a diventare più piccoli. Ma questa miniaturizzazione non può continuare molto senza una modifica al design dei transistor, che è rimasta più o meno la stessa per 40 anni.
Un potenziale successore dei transistor al silicio di oggi sono i nanofili di silicio, minuscoli filamenti di silicio sospesi come le corde di una chitarra tra pad conduttori di elettricità. Ma mentre i nanofili di silicio sono certamente abbastanza piccoli da mantenere in pista la miniaturizzazione dei circuiti dei computer, c'è stato il dubbio che possano far passare abbastanza corrente elettrica per l'elaborazione ad alta velocità. Al meeting internazionale sui dispositivi elettronici del 2008, i ricercatori dei Microsystems Technology Laboratories del MIT hanno dimostrato nanofili di silicio con il doppio della mobilità degli elettroni - che indica quanto facilmente può essere indotta la corrente - dei loro predecessori. Ora, lo stesso gruppo ha dimostrato di poter costruire chip in cui sono impilati uno sopra l'altro fino a cinque nanofili ad alte prestazioni. Ciò consentirebbe ai transistor a nanofili di passare fino a cinque volte più corrente senza occupare più area sulla superficie del chip, un passo cruciale per stabilire la fattibilità dei transistor a nanofili di silicio.
Un transistor è fondamentalmente un interruttore:quando è acceso, passa una corrente elettrica, e quando è spento, non è così. L'attivazione dell'interruttore richiede la ricarica di una parte del transistor chiamata "gate". Nel design di oggi, il gate si trova sopra il transistor. Ma se il transistor diventa abbastanza piccolo, l'elettricità fuoriuscirà attraverso di essa, indipendentemente dal fatto che il cancello sia carico o meno. Spegnere l'interruttore diventa impossibile.
Poiché i nanofili di silicio sono sospesi nell'aria, il cancello può essere avvolto tutto intorno a loro, come isolante attorno a un filo elettrico, che migliora il controllo dell'interruttore. Ma la ristrettezza dei nanofili limita la quantità di corrente che possono far passare.
La professoressa di ingegneria elettrica Judy Hoyt e i suoi studenti laureati Pouya Hashemi e Leonardo Gomez hanno migliorato le prestazioni dei transistor a nanofili di silicio:fondamentalmente, facendo leva sugli atomi del silicio leggermente più distanti di quanto non sarebbero naturalmente, che consente agli elettroni di fluire più liberamente attraverso i fili. Tale "silicio deformato" è stato un modo standard per migliorare le prestazioni dei transistor convenzionali dal 2003. Ma Hoyt è stato uno dei primi ricercatori nel campo.
“A partire dai primi anni Novanta, ha davvero svolto un ruolo pionieristico nella tecnologia del silicio deformato, "dice Tahir Ghani, direttore della tecnologia dei transistor e dell'integrazione per il Technology and Manufacturing Group di Intel. "Ha svolto molto di questo lavoro pionieristico che per la prima volta ha dimostrato che è possibile ottenere significativi miglioramenti delle prestazioni implementando la tensione nella tecnologia del silicio". Hoyt e il lavoro del suo gruppo sui nanofili di silicio teso, Ghani dice, "combina i due elementi chiave dei transistor" - prestazioni ed efficienza spaziale - "entrambi sono fondamentali per il ridimensionamento in futuro. E quindi da questo punto di vista, lo rende molto rilevante per l'industria.”
Quattro ingrandimenti successivi di un chip di prova con circuiti a nanofili. (1) Un wafer con incise dozzine di chip. (2) Un primo piano di quattro chip. (3) Sezioni trasversali di due nanofili in un transistor:al centro ci sono i nanofili; che li circondano ci sono gli elementi transistor chiamati "porte". (4) Un primo piano del filo. Immagini:Judy Hoyt, Pouya Hashemi e Leonardo Gomez
Gestire lo stress
Per costruire i loro transistor a nanofili impilati, i ricercatori del MIT iniziano con un normale wafer di silicio, su cui depositano un composto silicio-germanio. Poiché gli atomi di germanio sono più grandi degli atomi di silicio, le distanze tra gli atomi nello strato silicio-germanio sono maggiori di quelle che sarebbero in uno strato di silicio puro. Quando i ricercatori depositano un altro strato di silicio sopra il composito, gli atomi di silicio cercano di allinearsi con gli atomi sottostanti, così, pure, finiscono per essere leggermente più distanziati.
Questo strato di silicio teso è legato a un secondo wafer di silicio, e gli altri strati vengono rimossi, lasciando il secondo wafer ricoperto da uno strato di base di silicio teso. I ricercatori poi impilano strati alternati di silicio-germanio e silicio sopra lo strato di base, trasmettendo la sua tensione su ogni successivo strato di silicio. Utilizzando una tecnica chiamata litografia a fascio di elettroni, i ricercatori modellano linee sottili sulle pile e poi incidono il materiale tra le linee. Finalmente, asportano il restante silicio-germanio, e rimangono con diversi strati di nanofili di silicio sospesi. Hoyt e i suoi studenti hanno fabbricato nanofili con un diametro di soli otto nanometri, che hanno descritto in un articolo del 2009 sulla rivista Electron Device Letters dell'Institute of Electrical and Electronics Engineers; al contrario, gli elementi più piccoli dei chip dei computer di oggi hanno un diametro di 45 nanometri.
Hoyt afferma che il suo gruppo può creare silicio con una sollecitazione doppia rispetto ai chip costruiti dai fornitori commerciali. “Aumentiamo la frazione di germanio dello strato iniziale, quindi quindi costruiamo più stress nel silicio, "dice Hoyt. Inoltre, dice Hashemi, "siamo l'unico gruppo al mondo che ha dimostrato di poter mantenere questo ceppo dopo la sospensione" - cioè, una volta tagliati gli strati sottostanti.
Finora, Il gruppo di Hoyt ha costruito transistor a nanofili in cui la carica viene trasportata da elettroni in movimento. Ma per massimizzare l'efficienza computazionale, un chip standard per computer utilizza infatti due tipi di transistor. Nell'altro tipo, la carica è trasportata dai cosiddetti buchi. Un buco è semplicemente l'assenza di un elettrone in un cristallo di materiale semiconduttore. Quando un elettrone scivola per riempire il buco, lascia il suo posto nel cristallo; un altro elettrone scivola per riempire quel punto; e così via. In questo modo, il foro in effetti si sposta lungo la lunghezza del cristallo.
Aumentare la mobilità dei fori in tali transistor richiede un diverso tipo di deformazione:gli atomi del cristallo devono effettivamente essere incastrati più vicini di quanto non sia comodo. Quindi il gruppo di Hoyt sta ora lavorando per costruire nanofili da un composito di silicio-germanio, dove strati intermedi di silicio puro causano compressione piuttosto che tensione.
