Закон Мура начинает терять актуальность. Число транзисторов на кристалле по-прежнему удваивается, но уже не каждые два года. Дело в том, что кремниевые транзисторы приближаются к своему технологическому пределу.
Сегодня мы расскажем о материалах, которые могут заменить кремний, и дадим краткий обзор новых подходов к производству полупроводниковых приборов.
Новые материалы
Одним из основных «заменителей» кремния могут выступить углеродные нанотрубки — это цилиндры с толщиной стенок в один атом углерода. Такие транзисторы переключаются примерно в пять раз быстрее классических.
Один из первых прототипов представила группа американских инженеров три года назад. Ожидается, что технология найдет применение в гибкой электронике.
Двумя другими перспективными материалами инженеры называют диоксид и селенид гафния. Первый применяется в микроэлектронике еще с 2007 года.
Реорганизация кристаллической структуры этого вещества позволяет увеличить его электрическую постоянную в четыре раза, а транзисторные затворы из диоксида гафния снижают влияние туннельного эффекта.
Что касается второго материала, то он должен помочь миниатюризовать современные транзисторы. Селениды сами по себе очень тонкие — толщиной в три атома. При этом они обладают хорошими показателями энергопотребления.
Группе ученых уже удалось создать несколько рабочих прототипов. Сейчас инженеры думают, как соединять такие маленькие устройства друг с другом, и разрабатывают компактные контактные площадки.
Также стоит отметить такой материал, как дисульфид молибдена. Сам по себе он плохой полупроводник и уступает по свойствам кремнию. Однако в Нотрдамском университете установили, что транзисторы на основе тонких молибденовых пленок имеют уникальные свойства. Они не пропускают ток в выключенном состоянии и требуют мало энергии на переключение.
Прототип такого устройства два года назад представили в лаборатории в Беркли. Его ширина составляет всего один нанометр. Разработчики убеждены, что продлить закон Мура суждено именно таким транзисторам.
Альтернативные методы разработки
Первый метод основан на пьезоэлектрических транзисторах. Они состоят из пьезоэлектрического и пьезорезистивного компонентов. Первый преобразует электрические импульсы в звуковые, второй реагирует на звуковые волны и управляет транзистором в зависимости от их интенсивности.
Пьезоэлектрические транзисторы энергоэффективнее кремниевых, поэтому их планируют использовать в мобильных устройствах. Однако они могут найти применение и в дата-центрах. Технология позволит сократить затраты на охлаждение оборудования. Разработками в этой области сегодня занимается IBM, а также инженеры из Национальной физической лаборатории Великобритании.
Еще один вариант — спиновые транзисторы. Такие устройства работают не с электронами, а с их спинами (моментами импульса элементарных частиц). Движутся спины под воздействием внешнего магнитного поля, которое упорядочивает их в одном направлении. В результате возникает спиновый ток. Эти транзисторы потребляют в разы меньше энергии по сравнению с кремниевыми.
Концепцию спиновых транзисторов представили еще в 90-х. С тех пор в этом направлении работают крупные компании, например Intel, но до того момента, когда спиновые устройства выйдут за пределы лабораторий, еще далеко.
Помимо спиновых и пьезоэлектрических транзисторов стоит отметить и металл-воздушные транзисторы. Они похожи на классические MOSFET-транзисторы, однако их сток и исток выполняются из металла. Сток и исток располагаются на расстоянии в 30 нм друг от друга и обмениваются зарядами при помощи автоэлектронной эмиссии.
Разработкой металл-воздушных транзисторов занимается команда австралийских инженеров из Мельбурнского университета. Ожидается, что рабочая частота таких устройств достигнет сотен гигагерц. В перспективе технология позволит увеличить производительность аппаратного обеспечения в центрах обработки данных.
В целом пока рано говорить о какой-то одной и полноценной замене классическим кремниевым транзисторам. Разработки в этой области ведутся, и, возможно, прорыв случится в ближайшее время. Например, металл-воздушные транзисторы уже готовят к выходу на рынок. Это может произойти всего через два года.
