Silikon Transistörlerin Yerine Yeni 3 Boyutlu Transistörler
Silikon transistörler, sinyalleri güçlendirmek ve anahtarlama işlevi görmek için kullanılan ve akıllı telefonlardan otomobillere kadar birçok elektronik cihazda kritik bir bileşendir. Ancak, silikon yarıiletken teknolojisi, transistörlerin belirli bir voltajın altında çalışmasını engelleyen temel bir fiziksel sınır nedeniyle kısıtlanmaktadır.
Bu sınır, “Boltzmann zorbalığı” olarak bilinir ve özellikle yapay zeka teknolojilerinin hızlı gelişimi ile birlikte bilgisayarlar ve diğer elektronik cihazların enerji verimliliğini engeller.
Silikonun bu temel sınırını aşmak amacıyla, MIT araştırmacıları benzersiz bir set ultrason yarıiletken malzeme kullanarak farklı bir tür üç boyutlu transistör ürettiler.
Yalnızca birkaç nanometre genişliğinde dikey nanotelleri içeren cihazları, mevcut state-of-the-art silikon transistörlere karşı performans sunabiliyor ve konvansiyonel cihazlardan çok daha düşük voltajlarda verimli bir şekilde çalışabiliyor.
MIT postdoktora araştırmacısı ve yeni transistörler hakkında bir makalenin başyazarı olan Yanjie Shao, “Bu, enerji verimliliği açısından çok daha iyi olabilecek bir teknolojidir. Silikonun yerine kullanılabilir, böylece şu anda sahip olduğu tüm fonksiyonları kullanabilirsiniz, ancak çok daha iyi enerji verimliliği elde edersiniz,” diyor.
Kuantum Mekanik Özelliklerin Kullanılması
Transistörler, düşük voltajlı işlem ve yüksek performansı aynı anda gerçekleştirmek için kuantum mekanik özelliklerden yararlanmaktadır. Yalnızca birkaç kare nanometrelik bir alan içinde bu performansı sağlayabilirler.
MIT Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Bölümü’nden Jesús del Alamo, “Geleneksel fizik ile sınırlıdır, ancak Yanjie’nin çalışması bize farklı bir fizik kullanabileceğimizi gösteriyor. Bu yaklaşımın gelecekte ticari olması için hala üstesinden gelinmesi gereken birçok zorluk var, ancak konsept olarak gerçekten bir çığır açma niteliğinde,” diyor.
Araştırmaya Ju Li, Jesús del Alamo ve diğerleri katılmıştır. Araştırma bugün Nature Electronics dergisinde yayımlandı.
Silikonu Aşmak
Elektronik cihazlarda, silikon transistörler genellikle anahtar olarak çalışır. Transistöre bir voltaj uygulamak, elektronların enerji engelini aşarak bir taraftan diğerine hareket etmelerini sağlar ve transistörü “kapalı”dan “açık”a geçirir. Anahtarlamayla, transistörler hesaplama yapmak için ikili sayıları temsil eder.
Bir transistörün anahtarlamasının dikliği, “kapalı”dan “açık”a geçişin keskinliğini yansıtır. Ne kadar dik olursa, transistörü açmak için gereken voltaj o kadar az olur ve enerji verimliliği o kadar büyük olur.
Ancak elektronların bir enerji engelini aşarak hareket etmesi nedeniyle, Boltzmann zorbalığı, transistörün oda sıcaklığında anahtarlamanın bir minimum voltaj gerektirdiğini belirler.
MIT araştırmacıları, silikonun fiziksel sınırını aşmak için farklı bir set yarıiletken malzeme kullandılar – gallium antimonit ve indiyum arsenit – ve cihazlarını kuantum mekaniğinin bir fenomeni olan kuantum tünellemeyi kullanacak şekilde tasarladılar.
Kuantum tünelleme, elektronların engelleri aşma yeteneğidir. Araştırmacılar, bu özelliği kullanarak tünelleme transistörleri ürettiler ve elektronları enerji engelini aşmaya teşvik ettiler.
“Şimdi, cihazı çok kolay bir şekilde açıp kapatabilirsiniz,” diyor Shao.
Hassas Üretim
MIT.nano’daki araçları kullanarak, mühendisler transistörlerinin 3D geometrisini dikkatlice kontrol edebildiler ve sadece 6 nanometre çapında dikey nanotellerden oluşan hetero yapılar oluşturdular. Bu yapıları şimdiye kadar rapor edilen en küçük 3D transistörler olduklarına inanıyorlar.
Böylesine hassas mühendislik, keskin anahtarlama eğrisi ve yüksek akımı aynı anda elde etmelerini sağladı. Bunun nedeni kuantum sıkışması fenomenidir.
Kuantum sıkışma, bir elektronun hareket edemeyeceği kadar küçük bir alana sıkıştırıldığında ortaya çıkar. Bu gerçekleştiğinde, elektronun etkili kütlesi ve malzemenin özellikleri değişir, elektronun bir engel üzerinden daha güçlü bir şekilde tünelleme yapmasını sağlar.
“Bu çalışmada, bu tasarımla böylesine keskin anahtarlama düzlüğüne ulaşmayı başardığımız ilk kez,” diyor Shao.
Araştırmacılar şimdi, transistörlerini bir çipin genelinde daha homojen hale getirmek için üretim yöntemlerini geliştirmeye çalışıyorlar. Bu kadar küçük cihazlarla, hatta 1 nanometrelik bir değişkenlik bile elektronların davranışını değiştirebilir ve cihazın işleyişini etkileyebilir. Ayrıca, dikey yüzgeç şekilli yapılarla birlikte dikey nanotır transistörleri de araştırıyorlar, bu da olası bir şekilde çipteki cihazların homojenliğini iyileştirebilir.
“Bu çalışma, bozuk-gap tünel alan etkili transistör (TFET) performansını önemli ölçüde artıran doğru bir adımı temsil ediyor. Dik diklik ile birlikte rekor sürücü akımını gösteriyor. Bu tasarlanmış bozuk-gap TFET’te küçük boyutlar, aşırı sıkışma ve düşük kusurlu malzemeler ve arayüzlerin öneminin altını çıkarıyor. Bu özellikler, iyi yönetilen ve nanometre boyutunda kontrol edilen bir süreç aracılığıyla gerçekleştirilmiştir,” diyor bu çalışmada yer almayan nanoelektronik araştırma kuruluşu imec’in teknik personel üyesi Aryan Afzalian.
Bu araştırma, kısmen Intel Corporation tarafından finanse edilmektedir.
