Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый тип 3D-транзистора, который может быть более энергоэффективным и мощным, чем современные транзисторы на основе кремния. Новые трехмерные транзисторы были разработаны с использованием ультратонких полупроводниковых материалов. “Это технология, способная заменить кремний, поэтому вы могли бы использовать ее со всеми функциями, которые есть у кремния в настоящее время, но с гораздо большей энергоэффективностью”, - сказал Янджи Шао, исследователь Массачусетского технологического института и ведущий автор этого проекта.

Транзисторы используют квантовую механику для достижения высокой производительности при низком напряжении в наноразмерной области. Их миниатюрные размеры открывают путь к новой эре сверхплотной, высокопроизводительной и энергоэффективной электроники.

Кремниевые транзисторы функционируют как электронные переключатели. Простая подача напряжения приводит к резкому изменению состояния транзистора с выключенного на включенный. Это состояние представляет собой двоичные цифры, позволяющие выполнять вычисления. Эффективность транзистора зависит от быстроты его переключения. Более быстрое переключение напрямую связано с меньшим потреблением энергии. Это означает, что транзистор можно быстро включать и выключать, что требует меньше времени и, следовательно, энергии. Однако фундаментальное ограничение, известное как тирания Больцмана, требует минимального напряжения для работы транзистора при комнатной температуре. Это ограничение обычно встречается в кремниевых транзисторах.

Чтобы преодолеть его, в новых транзисторах MIT используются ультратонкие полупроводниковые материалы и квантовая механика для достижения высокой производительности при низком напряжении. В этих целях исследователи Массачусетского технологического института обратились к полупроводниковым материалам из антимонида галлия и арсенида индия. Кроме того, они внедрили принципы квантового туннелирования в архитектуру своих устройств. Благодаря этому явлению электроны могут проникать сквозь потенциальные барьеры. “Теперь вы можете очень легко включать и выключать устройство”, - добавил Шао.

Однако туннельные транзисторы часто страдают от низкого выходного тока. Это ограничение снижает их производительность в сложных приложениях, где для эффективной работы требуются высокие токи. Чтобы решить эту проблему, инженеры поработали над трехмерной геометрией транзисторов. Для этого они изготовили гетероструктуры из нанопроволок диаметром всего 6 нанометров. Это привело к созданию “самых маленьких трехмерных транзисторов, о которых сообщалось на сегодняшний день”. Благодаря квантовому ограничению, этот метод помог им добиться резких скачков напряжения и высокого тока. Квантовое ограничение возникает, когда электроны ограничены крошечными пространствами. Это ограничение открывает потенциал для улучшения туннелирования, революционизируя производительность устройств.

“У нас есть большая гибкость при проектировании гетероструктур из этих материалов, поэтому мы можем создать очень тонкий туннельный барьер, который позволяет нам получать очень высокий ток”, - сказал Шао.

Во время тестирования устройства продемонстрировали более высокую скорость переключения, чем обычные кремниевые транзисторы. Это означает, что они могут переключать состояния быстрее и эффективнее, открывая путь к более быстрым и энергоэффективным электронным устройствам.

Согласно пресс-релизу MIT, их устройства продемонстрировали 20-кратное улучшение производительности по сравнению с аналогичными туннельными транзисторами. “Впервые мы смогли добиться такой высокой быстроты переключения с помощью этой конструкции”, - отметил Шао.

Исследователи продолжают работу над улучшением процесса изготовления, чтобы обеспечить стабильную работу транзисторов по всему чипу. Для дальнейшего повышения единообразия они изучают альтернативные 3D-конструкции транзисторов, такие как вертикальные ребристые структуры.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Electronics.