I minuscoli transistor a semiconduttore composto potrebbero sfidare il dominio del silicio
Tipo di articolo: Notizie di settore Da: Microelectronics International, Volume 30, Numero 2
I ricercatori del MIT sviluppano il transistor all'arseniuro di indio e gallio più piccolo mai costruito.
Il primato del silicio è in pericolo: i giorni del semiconduttore come re dei microchip per computer e dispositivi intelligenti potrebbero essere contati, a causa dello sviluppo del transistor più piccolo mai realizzato con un materiale concorrente, l'arseniuro di indio e gallio.
Il transistor composto, realizzato da un team dei Microsystems Technology Laboratories del MIT, offre prestazioni eccellenti nonostante una lunghezza di soli 22 nm (miliardesimi di metro). Questo lo rende un candidato promettente per sostituire in futuro il silicio nei dispositivi informatici, afferma il co-sviluppatore Jesús del Alamo, professore di scienze presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) del MIT, che ha costruito il transistor insieme allo studente di dottorato Jianqian Lin e a Dimitri Antoniadis, professore di ingegneria elettrica.
Per stare al passo con la nostra domanda di dispositivi informatici sempre più veloci e intelligenti, le dimensioni dei transistor si stanno riducendo continuamente, consentendo di integrarne un numero sempre maggiore sui microchip. "Più transistor si possono inserire su un chip, più potente sarà il chip e maggiori saranno le funzioni che potrà svolgere", afferma del Alamo.
Ma con la miniaturizzazione dei transistor al silicio fino alla scala nanometrica, anche la quantità di corrente che questi dispositivi possono produrre si sta riducendo, limitandone la velocità di funzionamento. Ciò ha fatto temere che la Legge di Moore – la previsione del fondatore di Intel, Gordon Moore, secondo cui il numero di transistor sui microchip raddoppierà ogni due anni – possa essere sul punto di giungere al termine, afferma del Alamo.
Per mantenere valida la Legge di Moore, i ricercatori stanno da tempo studiando alternative al silicio, che potrebbero potenzialmente produrre una corrente maggiore anche operando su scale così ridotte. Uno di questi materiali è l'arseniuro di indio e gallio, già utilizzato nelle comunicazioni in fibra ottica e nelle tecnologie radar, e noto per le sue eccellenti proprietà elettriche, afferma del Alamo. Tuttavia, nonostante i recenti progressi nel trattamento del materiale per consentirne la formatura in transistor in modo simile al silicio, nessuno è ancora riuscito a produrre dispositivi sufficientemente piccoli da poter essere integrati in un numero sempre maggiore nei microchip del futuro.
Ora del Alamo, Antoniadis e Lin hanno dimostrato che è possibile costruire un transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo (MOSFET) di dimensioni nanometriche – il tipo più comunemente utilizzato nelle applicazioni logiche come i microprocessori – utilizzando questo materiale. "Abbiamo dimostrato che è possibile realizzare MOSFET di arseniuro di indio e gallio estremamente piccoli con eccellenti caratteristiche logiche, il che promette di portare la Legge di Moore oltre i limiti del silicio", afferma del Alamo.
I transistor sono costituiti da tre elettrodi: il gate, il source e il drain, con il gate che controlla il flusso di elettroni tra gli altri due. Poiché lo spazio in questi minuscoli transistor è estremamente ridotto, i tre elettrodi devono essere posizionati a una distanza ravvicinata, un livello di precisione impossibile da raggiungere anche con strumenti sofisticati. Il team ha quindi deciso di far sì che il gate si "autoallinei" tra gli altri due elettrodi.
I ricercatori innanzitutto fanno crescere un sottile strato del materiale utilizzando l'epitassia a fascio molecolare, un processo ampiamente utilizzato nell'industria dei semiconduttori in cui atomi evaporati di indio, gallio e arsenico reagiscono tra loro sotto vuoto per formare un composto monocristallino. Il team deposita quindi uno strato di molibdeno come metallo di contatto per la sorgente e il drain. Successivamente, "disegnano" un motivo estremamente fine su questo substrato utilizzando un fascio focalizzato di elettroni, un'altra tecnica di fabbricazione consolidata nota come litografia a fascio elettronico.
Le aree di materiale indesiderate vengono quindi incise e l'ossido di gate viene depositato sul piccolo spazio. Infine, il molibdeno evaporato viene cotto sulla superficie, dove forma il gate, strettamente compresso tra gli altri due elettrodi, spiega del Alamo. "Attraverso una combinazione di incisione e deposizione possiamo ottenere il gate incastrato [tra gli elettrodi] con piccoli spazi intorno ad esso", afferma.
Sebbene molte delle tecniche applicate dal team siano già utilizzate nella fabbricazione del silicio, sono state impiegate solo raramente per realizzare transistor a semiconduttore composti. Ciò è dovuto in parte al fatto che in applicazioni come le comunicazioni in fibra ottica, lo spazio è un problema minore. "Ma quando si parla di integrare miliardi di minuscoli transistor su un chip, allora dobbiamo riformulare completamente la tecnologia di fabbricazione dei transistor a semiconduttore composti, in modo che assomigli molto di più a quella dei transistor al silicio", afferma del Alamo.
Il loro prossimo passo sarà quello di lavorare per migliorare ulteriormente le prestazioni elettriche – e quindi la velocità – del transistor eliminando la resistenza indesiderata all'interno del dispositivo. Una volta raggiunto questo obiettivo, tenteranno di miniaturizzare ulteriormente il dispositivo, con l'obiettivo finale di ridurre le dimensioni del transistor a meno di 10 nm di lunghezza del gate.
La ricerca è stata finanziata dalla DARPA e dalla Semiconductor Research Corporation.
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