Трехмерные транзисторы

Наш транзистор с тройным затвором внешне напоминает картонную «упаковку для яиц» - решетку с ячейками - такой неожиданный образ для сделанного открытия нашел Роберт Чау, сотрудник Intel и директор лаборатории по исследованию транзисторов.

Эта структура позволяет посылать электрические сигналы, как по «верху» транзистора, так и по обеим его «сторонам». За счет этого увеличивается площадь для прохождения тока, следовательно, снижается его плотность, а вместе с ней уменьшается и утечка. Тройной затвор строится на ультратонком слое полностью обедненного кремния, что обеспечивает еще большее снижение тока утечки и позволяет транзистору быстрее включаться и выключаться при значительном снижении энергопотребления.[2].

Этой технологии было присвоено имя Tri-Gate, и на этой основе выпущены многоядерные процессоры под названием Ive Bridge.

Особенностью этой конструкции также являются поднятые исток и сток - в результате снижается сопротивление, что позволяет транзистору работать при токе меньшей мощности.[2]

Для этого применяется структура кремния на изоляторе (silicon on insulator, SOI), при которой на кремниевую подложку наносится слой диэлектрика и на нем размещается сам транзистор, то есть легированные области стока и истока, а также область затвора. Паразитный заряд накапливается преимущественно в областях под стоком и затвором, поэтому, чтобы исключить накопление этого заряда, необходимо разместить диэлектрик непосредственно под стоком и истоком. Вследствие этого сокращается толщина транзистора и уменьшается его емкость.

Использование SOI-транзисторов позволяет без существенного изменения технологии их изготовления (нет необходимости в ином литографическом процессе) повысить скорость работы транзисторов в среднем на 25%.

Уменьшение емкости транзистора путем добавления слоя диэлектрика вглубь кремния влечет за собой одно негативное последствие: так как увеличивается сопротивление между истоком и стоком необходимо повысить напряжение, что, в целом отрицательно отразится на характеристиках транзистора и всей микросхемы в целом.

Для того чтобы снизить сопротивление между истоком и стоком, увеличивают высоты этих областей.

Исследователи разработали новый тип транзисторов из материалов, способных не только заменить кремний как основу микропроцессорной техники, но и привести к созданию трехмерной структуры транзистора вместо современной планарной структуры микрочипов. Новый подход к конструированию элементарной ячейки микросхем позволит изготавливать более миниатюрные и экономичные чипы. Технология подразумевает применение нанопроводников не из кремния, а из трехкомпонентного материала (твердого расплава) индий - галлий-мышьяк.

С выходом 22-нм техпроцесса Intel пришлось изменять структуру самих транзисторов. В качестве примера Бохр (Bohr) показал на Intel Developer Forum 2011 график для 22-нм транзисторов с разными значениями токов возбуждения/токов утечек в зависимости от приложения. Если требуется быстрый процессор, то можно допустить значительные токи утечки, но для других сценариев может потребоваться высокая производительность с минимальными токами утечки. В итоге можно использовать подходящую технологию изготовления процессоров в зависимости от сферы применения готовых чипов (высокая производительность, стандартная производительность, минимальное энергопотребление).

Бохр также рассказал и об основных преимуществах 22-нм техпроцесса:

· Преимущество по токам утечки благодаря полностью выработанным затворам. С меньшим напряжением транзистор выключается быстрее, у него меньше утечки в выключенном состоянии.

· При оптимизации под высокую производительность можно достичь высокой скорости переключения транзисторов при токах утечки в выключенном состоянии, сравнимых с планарными транзисторами.

· В целом, транзисторы с тройными затворами дают на 37% более высокую скорость переключения при напряжении 0,7 В - или, наоборот, потребляют на 50% меньше энергии в активном состоянии.

· Если требуется высокая производительность, то разработчики кристаллов могут объединять несколько технологий, чтобы достичь более высокой скорости.

Сотрудники университетов Пердью и Гарварда смогли создать трехмерный транзистор с круговым затвором, и именно на основе индий-галлий-мышьяка с высокой подвижностью носителей заряда.

Трехмерная структура транзистора в случае 22-нм интегральных микросхем не просто прихоть - она необходима, так как затвор "двухмерного" транзистора становится слишком мал, чтобы эффективно им управлять. То есть, как только мы снижаем размер затвора до 22 нанометров и ниже, необходимо существенно усложнять конструкцию транзистора. В этом случае идеальным становится круговой/цилиндрический затвор, внутри которого и находится канал транзистора. Такой подход позволяет при использовании кремния уменьшать топологические нормы интегральной микросхемы до 14 нанометров.

Нанопроводники, изготовленные из индий-галлий-мышьяка, будут применяться в 10-нм интегральных микросхемах. Последние исследования показали, что этот материал обладает в пять раз более высокой подвижностью носителей заряда, чем кремний. То есть, канал транзистора будет формироваться именно на основе индий-галлий-мышьяка. Но этого мало. Для 10-нм и более прецизионных техпроцессов необходимо применение и нового диэлектрического материала, необходимого для "выключения" транзистора. Сегодня общепринятым в микроэлектронике диэлектриком является диоксид кремния, но в случае 14-нм технологии утечки будут слишком велики, чтобы говорить о "запирании" транзистора.

Какие варианты исследователи рассматривают для замены диоксида кремния? Это материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью, такие как диоксид гафния или диоксид алюминия. Технология получения диоксида гафния или диоксида алюминия является процессом атомно-слоевого осаждения. Это все позволяет инженерам получать транзисторы с очень тонкими диэлектрическими и металлическими слоями при формировании затвора. Такие транзисторы должны обладать отличными характеристиками - высокой производительностью при невысоком энергопотреблении, благодаря тому, что снижается напряжение на затворе и повышается скорость движения носителей заряда. Как результат - интегральные микросхемы с характеристиками, радикально отличающимися от современных аналогов.

Корпорация Intel уделяет огромное внимание разработке перспективных транзисторов трехмерной конструкции с тройным затвором, которая обеспечивает более эффективный расход энергии по сравнению с традиционными плоскими транзисторами. Эта разработка знаменует собой начало эпохи трехмерных конструкций транзисторов, которые корпорация Intel планирует принять на вооружение для поддержания темпов развития, согласующихся с законом Мура, по окончании текущего десятилетия.

вычислительный трехмерный транзистор диэлектрик

Список используемых источников

1. Сергей Пахомов. Экспансия закона Мура//Компьютер пресс. - 2003. - №1. С.16-22.

2. Сергей Пахомов. Эра трехмерных транзисторов//Компьютер пресс. - 2003. - №1. - С.34-38.

3. Александр Карабуто. Отладка кристаллов микросхем//Компьютера. - №37. - 2004.

4. Щука А.А. Электроника. Учебное пособие / Под ред. Проф. А.С. Сигова.- СПб.: БХВ-Петербург, 2006.

5. Крученецкий В.З. и др. О целесообразности введения в программы обучения курса по использованию компонентов компьютерных средств на основе функциональной электроники. Материалы Республиканской научно-практической конференции «Современные подходы к модернизации системы образования», посвященной 70-летию Шаяхметова Ш.Ш,.II Том, Алматы, КазНУ им. Абая, 3 апреля 2009. с7

Размещено на Allbest.ur