(PhysOrg.com) - Datorer blir allt starkare eftersom kiseltransistorer blir mindre. Men den miniatyriseringen kan inte fortsätta mycket längre utan en förändring av transistornas design, som har förblivit mer eller mindre densamma i 40 år.

En potentiell efterträdare till dagens kiseltransistorer är kisel -nanotrådar, små filament av kisel hängande som en gitarrs strängar mellan elektriskt ledande kuddar. Men medan kisel -nanotrådar verkligen är tillräckligt små för att hålla miniatyriseringen av datorkretsar på rätt spår, det har varit tvivel om de kan passera tillräckligt med elektrisk ström för höghastighetsberäkning. Vid International Electron Device Meeting 2008, forskare vid MIT:s Microsystems Technology Laboratories visade nanotrådar av kisel med dubbla elektronmobilitet - vilket indikerar hur lätt ström kan induceras - från sina föregångare. Nu, samma grupp har visat att de kan bygga chips där upp till fem högpresterande nanotrådar staplas ovanpå varandra. Det skulle tillåta nanotrådstransistorer att passera upp till fem gånger så mycket ström utan att ta upp mer yta på ytan på chipet, ett avgörande steg mot att fastställa livskraften för kisel-nanotrådstransistorer.

En transistor är i grunden en omkopplare:när den är på, den passerar en elektrisk ström, och när det är avstängt, det gör det inte. För att vända omkopplaren krävs att en del av transistorn som kallas "grinden" laddas. I dagens design, porten sitter ovanpå transistorn. Men om transistorn blir tillräckligt liten, el kommer att läcka över den oavsett om porten är laddad eller inte. Det blir omöjligt att stänga av strömbrytaren.

Eftersom kisel -nanotrådar hänger i luft, porten kan lindas hela vägen runt dem, som isolering runt en elektrisk ledning, vilket förbättrar kontrollen av omkopplaren. Men nanotrådarnas smalhet begränsar mängden ström de kan passera.

Elektroteknikprofessorn Judy Hoyt och hennes doktorander Pouya Hashemi och Leonardo Gomez förbättrade prestanda för kisel-nanotrådstransistorer genom, i grund och botten, bända kiselns atomer något längre ifrån varandra än de skulle vara naturligt, vilket gör att elektroner kan flöda genom ledningarna mer fritt. Sådant "ansträngt kisel" har varit ett vanligt sätt att förbättra prestanda för konventionella transistorer sedan 2003. Men Hoyt var en av de tidiga forskarna inom området.

"Från början av 1990 -talet hon har verkligen spelat en banbrytande roll inom silikonteknik, Säger Tahir Ghani, chef för transistorteknik och integration för Intels Technology and Manufacturing Group. "Hon gjorde mycket av detta banbrytande arbete som för första gången visade att du kan få betydande prestandavinster genom att implementera belastning på kiselteknologi." Hoyt och hennes grupps arbete med nanotrådar av silikon, Ghani säger, ”Kombinerar de två nyckelelementen i transistorer” - prestanda och rymdeffektivitet - ”som båda är mycket viktiga för skalning i framtiden. Och så ur den synvinkeln, det gör det mycket relevant för industrin. ”

Hantera stress

För att bygga sina staplade nanotrådstransistorer, MIT -forskarna börjar med en vanlig kiselskiva, på vilka de avsätter en kisel-germaniumkomposit. Eftersom germaniumatomer är större än kiselatomer, avstånden mellan atomer i kisel-germaniumskiktet är större än de skulle vara i ett lager av rent kisel. När forskarna lägger ner ytterligare ett lager kisel ovanpå kompositen, kiselatomerna försöker anpassa sig till atomerna under dem, så de, för, hamna åtskilda något längre ifrån varandra.

Detta lager av silat kisel är bundet till en andra kiselskiva, och de andra skikten tas bort, lämnar den andra skivan täckt med ett baslager av silat silikon. Forskarna staplar sedan alternerande lager av kisel-germanium och kisel ovanpå basskiktet, överför sin påfrestning till varje på varandra följande lager av kisel. Med hjälp av en teknik som kallas elektronstråle litografi, forskarna mönstrar fina linjer på staplarna och etsar sedan bort materialet mellan linjerna. Till sist, de etsar bort det återstående kisel-germaniumet, och de sitter kvar med flera lager av nanotrådar av kisel. Hoyt och hennes studenter har tillverkat nanotrådar med en diameter på endast åtta nanometer, som de beskrev i en tidning från 2009 i Institute of Electrical and Electronics Engineers journal Electron Device Letters; däremot, de minsta elementen i dagens datachips är 45 nanometer breda.

Hoyt säger att hennes grupp kan skapa kisel med två gånger belastningen som ses i chips byggda av kommersiella leverantörer. ”Vi ökar germanium -fraktionen av det första lagret, så vi bygger därför mer spänning i kislet, Säger Hoyt. Dessutom, säger Hashemi, "Vi är den enda gruppen i världen som har visat att vi kan behålla denna belastning efter avstängning" - det vill säga, när de underliggande skikten har skurits bort.

Än så länge, Hoyts grupp har byggt nanotrådstransistorer där laddning bärs av elektroner i rörelse. Men för att maximera beräkningseffektiviteten, ett vanligt datorchip använder faktiskt två typer av transistorer. I den andra typen, laddning bärs av så kallade hål. Ett hål är helt enkelt frånvaron av en elektron i en kristall av halvledande material. När en elektron glider över för att fylla hålet, den lämnar sin egen plats i kristallen; en annan elektron glider över för att fylla den platsen; och så vidare. På det här sättet, hålet rör sig i själva verket längs kristallens längd.

Att öka hålens rörlighet i sådana transistorer kräver en annan typ av påfrestning:kristallens atomer måste faktiskt fastna närmare varandra än vad som är bekvämt. Så Hoyts grupp arbetar nu med att bygga nanotrådar av en kisel-germaniumkomposit, där mellanliggande lager av rent kisel orsakar kompression snarare än spänning.