Создан самый маленький в мире трёхмерный транзистор

Инженеры из США более чем вдвое уменьшили толщину транзистора по сравнению с коммерческими аналогами. Это достижение позволит создать значительно более мощные компьютеры, лишь слегка изменив технологию производства микросхем.

В 1960-х годах увидел свет знаменитый закон Мура, в своей современной формулировке утверждающий, что количество транзисторов на чипе удваивается каждые два года. Благодаря этому человечество постоянно получает всё более мощные компьютеры: растёт производительность процессоров и объём оперативной памяти.

В последние годы популярной стала технология изготовления очень тонких транзисторов, которые размещаются на чипе вертикально. Как сообщает издание New Atlas, всего несколько лет назад промышленный стандарт толщины таких транзисторов составлял 14 нанометров. Сегодня это 10 нанометров, и всё больше устройств переходят на 7 нанометров, а в опытных образцах используются и пятинанометровые транзисторы.

Для сравнения: атом водорода, самый простой и маленький среди всех химических элементов, имеет размер 0,1 нанометра! Другими словами, уже сегодня коммерческие транзисторы имеют толщину в считанные молекулы. На микросхеме размером с ноготь умещаются десятки миллиардов таких деталей.

Делать их ещё меньше становится всё сложнее, и в последние годы закон Мура начал "пробуксовывать". В связи с этим разные исследовательские группы предлагают такие радикальные решения, как, например, транзистор из одной нанотрубки, слоя толщиной в один атом или нитей ДНК. Однако переход на такие технологии может потребовать полной перестройки всей промышленности, выпускающей микросхемы.

Тем временем инженеры Массачусетского технологического института (MIT) и Университета Колорадо нашли способ уменьшить толщину транзистора, что называется, малой кровью. При этом транзистор остаётся трёхмерным, то есть по всем трём измерениям имеет толщину более одного атома. Предложенное авторами решение потребует лишь немного изменить стандартные технологические процессы.

Авторов интересовало производство транзисторов из арсенида индия-галлия (или InGaAs). Это вещество широко признано как перспективная замена стандартного на сегодняшний день кремния. Транзисторы из него получаются более быстрыми и эффективными.

Обычно для его производства на подложку осаждаются вещества, которые вступают друг с другом в химическую реакцию. Продуктом этой реакции и является арсенид индия-галлия. Он остаётся на подложке в виде тонкой плёнки, которая станет материалом для будущих транзисторов.

Затем на заготовку накладывается специальная решётка или, как говорят специалисты, маска. В таком виде полученная плёнка подвергается воздействию света, который вызывает в ней новые химические реакции. В областях, закрытых маской (это и есть будущие транзисторы), реакции не происходят.

Таким образом, на этом этапе плёнка превращается в готовые транзисторы, отделённые друг от другая промежутками из "мусорного вещества", образовавшегося под воздействием света.

Теперь этот "балласт" необходимо удалить. Здесь-то и скрыто новшество.

Традиционные методы предполагают обработку заготовки ионами с высокой энергией. Однако при таком способе "очистки" частично повреждаются и сами транзисторы. Кроме того, при этом заготовка контактирует с воздухом, и окисление снижает потенциальную производительность будущих деталей.

Авторы применили иной метод. Для удаления "мусорного вещества" (травления) заготовка подвергается воздействию фтористого водорода (HF). При этом на ней остаётся атомарно тонкий слой фторидов. Этот слой обрабатывается диметилалюминийхлоридом (АlСl(СН₃)₂). При этом происходят очередные химические реакции.

После этого заготовка продувается химически неактивным газом. Этот поток уносит побочные продукты, неизрасходованный АlСl(СН₃)₂… и слой атомов "мусорного вещества". Процесс повторяется сотни раз.

"В каждом цикле мы можем вытравить всего 0,02 нанометра материала. Это дарит нам сверхвысокую точность и тщательный контроль процесса", – говорит соавтор разработки Вэньцзе Лу (Wenjie Lu) из MIT.

Важно, что травление производится в той же камере, что и формирование плёнки из арсенида индия-галлия. Оборудование требуется лишь немного модифицировать, так что производителю не придётся идти на грандиозные траты.

Используя эту технологию, команда изготовила транзисторы стандартного для нынешней техники класса FinFET. Большинство из них получилось толщиной менее пяти нанометров, а самые тонкие – менее 2,5 нанометра. Авторы заявляют, что это рекорд для трёхмерных транзисторов.

Кроме того, эти транзисторы эффективнее обычных, так как в процессе изготовления не подвергались губительному воздействию воздуха.

В частности, новые детали на 60% лучше стандартных по транскондуктивности (transconductance). Если не вдаваться в детали, эта величина определяет, насколько малое напряжение требуется для переключения транзистора из одного состояния в другое.

Кроме того, новшество позволило повысить контрастность – разницу между силой тока, проходящего через транзистор в состоянии "включён" и "выключен". Поясним, что чем больше контрастность, тем выше эффективность вычислений. По утверждению авторов, на сегодняшний день по этому параметру их детище превосходит все остальные FinFET-транзисторы.

Достижение было представлено на Международной конференции по электронным устройствам Института инженеров электротехники и электроники (IEEE IEDM 2018).