Jenseits von Silizium

Letzte Woche kündigte der Chiphersteller Intel auf dem halbjährlichen Intel Developer Forum in San Francisco einen Transistor aus einem Material namens Indium-Antimonid (InSb) an, das beeindruckende Statistiken aufwies: Er wurde mit der 1,5-fachen Geschwindigkeit von Transistoren auf Siliziumbasis getaktet und ein Zehntel der Leistung verbraucht.

Laut Intels Director of Technology Strategy, Paolo Gargini, der die Ergebnisse vorstellte, könnte eine Abkehr von Silizium für die Chipindustrie von entscheidender Bedeutung sein, damit sie in den nächsten Jahrzehnten kleinere Geräte bauen kann. Da Transistoren aus Silizium immer kleiner werden, werden die Grenzen des Materials immer deutlicher. Silizium sei nicht der beste Halbleiter, sagt Gargini.

Ich bin bei ihrem Filter

Aber natürlich ist Silizium sowohl weit verbreitet als auch relativ preiswert, und sein Herstellungsverfahren wurde seit 30 Jahren verfeinert. Was sogenannte Verbindungshalbleiter – also solche, die aus mehr als einem Element wie Indiumantimonid bestehen – so attraktiv macht, sind ihre besonderen elektrischen und optischen Eigenschaften.



Elektronen können einen Indiumantimonid-Kristall 50-mal schneller passieren als durch einen Siliziumkristall, sagt Gargini. Dadurch sind nicht nur die elektronischen Vorgänge wesentlich schneller, sondern es wird auch weniger Energie benötigt, um die Elektronen zu schieben.

Verbundhalbleiter haben auch optische Eigenschaften, die dazu beitragen könnten, die Kommunikation zwischen Transistoren auf einem Chip und mehreren Chips innerhalb eines Geräts zu beschleunigen. Diese Materialien emittieren und detektieren leicht Licht – eine Eigenschaft, die seit Jahrzehnten untersucht und verbessert wurde, sagt David Hodges , Elektroingenieur an der University of California, Berkeley. Daher könnten Lichtemitter und Detektoren aus Verbundwerkstoffen möglicherweise Kupferdrähte ersetzen, die ein erhebliches Geschwindigkeitshemmnis darstellen.

Verbundwerkstoffe haben aber auch ihre Nachteile. Derzeit werden Hunderte von Milliarden von Transistoren auf Siliziumwafern mit einem Durchmesser von bis zu 12 Zoll hergestellt. Die Kristalle von Verbundmaterialien wie Indiumantimonid (InSb), Galliumarsenid (GaAs), Indiumarsenid (InAs) und Indiumgalliumarsenid (InGaAs) neigen jedoch dazu, leicht auseinanderzubrechen und können daher nicht verarbeitet werden so große Wafer, sagt Gargini. Das bedeute, dass Verbundmaterialien Silizium als Waferbasis für elektrische Geräte nie vollständig ersetzen könnten, sagt er.

Stattdessen müssen Inseln von InSb-Transistoren auf dem Siliziumsubstrat mit großem Durchmesser abgeschieden werden. Die Abscheidung von Indium-Antimonid-Transistoren auf Silizium stellt jedoch eine zusätzliche Herausforderung dar. Die Atome in einem Siliziumkristall haben einen Abstand von 0,543 Nanometern, während die Atome in Indiumantimonid 0,648 Nanometer voneinander entfernt sind. Aufgrund dieser Fehlanpassung verbinden sich nicht alle Atome an der Grenzfläche, wenn die beiden Materialien nebeneinander platziert werden, was zu ineffektiven Geräten führt.

Um dies zu umgehen, erklärt Gargini, werden dünne Schichten von Puffermaterialien auf dem Silizium hinzugefügt, die einen ähnlichen Atomabstand haben, und dann die chemische Zusammensetzung der Pufferschichten schrittweise anzupassen, bis sie einen ähnlichen Atomabstand wie Indium haben Antimonid. Das Finden der idealen chemischen Verhältnisse, um die besten Pufferschichten bereitzustellen, wird eine der größten Herausforderungen bei der Integration von Indiumantimonid auf Intels bestehender Siliziumplattform sein, sagt er.

Neben der Suche nach dem besten Puffer für die InSb-Inseln auf dem Siliziumwafer Jesus del Alamo , einem Elektroingenieur am MIT, der sich auf Mikroelektronik spezialisiert hat, müssen Ingenieure auch die Isolierschicht, das Gate-Dielektrikum, auf dem Transistor berücksichtigen, das für den elektrischen Betrieb des Geräts entscheidend ist. Derzeit verwenden Siliziumtransistoren eine Schicht aus Siliziumdioxid als Gate-Dielektrikum. Bei Verbindungshalbleitern funktioniere Siliziumdioxid jedoch nicht als Isoliermaterial, sagt del Alamo. Die Grenzflächenqualität zwischen Verbindungshalbleitern und Siliziumdioxid ist nicht gut genug und die Dielektrizitätskonstante von Siliziumdioxid ist zu klein. Daher muss eine ganz neue Klasse hochwertiger Gate-Dielektrika entwickelt werden. Das wird eine große Herausforderung, sagt er.

Del Alamo glaubt jedoch nach wie vor, dass solche Hürden mit der Reife des Feldes überwunden werden. Ich bin sehr optimistisch, dass uns diese Durchbrüche gelingen werden, sagt er.

Intels Gargini geht davon aus, dass die Technologie, an der Intel vor etwa drei Jahren zu erforschen begann, in etwa einem weiteren Jahrzehnt in die Fertigung übergehen wird. Er betont auch, dass Verbindungshalbleiter nur eine von vielen Möglichkeiten für zukünftige Mikroprozessoren sind. Tatsächlich hat Intel viele Ideen in Arbeit, von der Extrem-Ultraviolett-Lithographie, um Siliziumtransistoren zu verkleinern, bis hin zur Entwicklung von Siliziumlasern, Modulatoren und Detektoren, bei denen Lichtstrahlen anstelle von Kupferdrähten verwendet werden könnten, um Daten innerhalb eines Chips zu übertragen (siehe Intels Durchbruch ). Erwarten Sie morgen keine [Verbindungshalbleiter] in einem Produkt, sagt Gargini. Aber es ist in der Pipeline.

Bild der Homepage mit freundlicher Genehmigung von Jesus del Alamo, Elektroingenieur, Fakultät für Elektrotechnik und Informatik, MIT. Bildunterschrift: Chip mit Transistoren und Teststrukturen aus dem Verbindungshalbleiter Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs). Chip wird verwendet, um Gerätevorgänge zu diagnostizieren.

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