Исследователи из Массачусетского технологического института разработали новый метод производства, который позволит создавать более энергоэффективную электронику за счёт размещения нескольких функциональных компонентов поверх одной существующей схемы.
В традиционных схемах логические устройства, выполняющие вычисления, например транзисторы, и устройства памяти, хранящие данные, представляют собой отдельные компоненты, из-за чего данные вынуждены перемещаться между ними туда и обратно, что приводит к потере энергии.
Новая производственная платформа для интеграции электроники позволяет учёным создавать транзисторы и устройства памяти в виде одного компактного блока на полупроводниковом чипе. Это позволяет значительно сократить потери энергии и повысить скорость вычислений.
Ключом к этому достижению стал недавно разработанный материал с уникальными свойствами и более точный подход к производству, который позволяет уменьшить количество дефектов в материале. Это даёт исследователям возможность создавать чрезвычайно маленькие транзисторы со встроенной памятью, которые работают быстрее, чем современные устройства, и потребляют меньше электроэнергии, чем аналогичные транзисторы.
Стандартные микросхемы КМОП (комплементарных металл-оксид-полупроводников) традиционно имеют лицевую сторону, на которой изготавливаются активные компоненты, такие как транзисторы и конденсаторы, и обратную сторону, включающую в себя проводники, называемые межсоединениями, и другие металлические соединения, которые связывают компоненты микросхемы.
Но при передаче данных между этими связями часть энергии теряется, а небольшие смещения могут снизить производительность. Размещение активных компонентов друг над другом сократит расстояние, которое должны преодолевать данные, и повысит энергоэффективность чипа.
Как правило, сложно разместить кремниевые транзисторы на КМОП-чипе, потому что высокая температура, необходимая для изготовления дополнительных устройств на лицевой стороне, может разрушить существующие транзисторы под ними.
Исследователи из Массачусетского технологического института решили эту проблему с точностью до наоборот, разработав метод интеграции, позволяющий размещать активные компоненты на обратной стороне чипа.
Ученые добились этого, используя новый материал — аморфный оксид индия — в качестве активного канала в своём транзисторе. В активном канале происходят основные процессы в транзисторе. Благодаря уникальным свойствам оксида индия они могут «вырастить» чрезвычайно тонкий слой этого материала при температуре всего около 150 градусов по Цельсию на обратной стороне существующей схемы, не повредив устройство на лицевой стороне. Они тщательно оптимизировали процесс производства, чтобы свести к минимуму количество дефектов в слое оксида индия толщиной всего около 2 нанометров.
Для включения транзистора необходимо наличие нескольких дефектов, известных как вакансии кислорода, но при слишком большом количестве дефектов он не будет работать должным образом. Этот оптимизированный процесс производства позволяет исследователям создавать чрезвычайно миниатюрные транзисторы, которые работают быстро и без сбоев, что значительно снижает потребность в дополнительной энергии, необходимой для переключения транзистора из выключенного состояния во включённое.
Опираясь на этот подход, исследователи также создали транзисторы со встроенной памятью размером всего около 20 нанометров. Для этого они добавили слой материала под названием сегнетоэлектрический оксид гафния-циркония в качестве компонента памяти. Эти компактные транзисторы памяти продемонстрировали скорость переключения всего в 10 наносекунд, что соответствует пределу возможностей измерительных приборов команды. Для такого переключения требуется гораздо более низкое напряжение, чем для аналогичных устройств, что снижает энергопотребление.
Поскольку транзисторы памяти настолько малы, исследователи могут использовать их в качестве платформы для изучения фундаментальной физики отдельных элементов сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония.
В будущем ученые хотят усовершенствовать эту технологию, интегрировав транзисторы памяти в единую схему. Они также хотят повысить производительность транзисторов и изучить способы более точного управления свойствами сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония.