«4D-транзистор» как предтеча нового поколения компьютеров. Физика.

Учёные из Университета Пердью и Гарвардского университета (оба — США) создали транзистор из материала, который может заменить традиционный кремний в самом скором времени. Он содержит три тончайших нанопроводка из индий-галлий-арсенида. 

Каждый последующий проводок меньше предыдущего, что в поперечном сечении делает устройство больше похожим на новогоднюю ёлку — тот же сужающийся клиновидный профиль.

22-нанометровый 3D-транзистор компании Intel (иллюстрация Intel).

Работа основывается на результатах более раннего исследования по созданию трёхмерных транзисторов из того же материала. Её авторы утверждают, что предложенная ими схема позволит производить более быстрые, компактные и эффективные интегральные схемы, которые рассеивают меньше тепла (потребляют меньшую мощность), чем нынешние изделия. Для достижения наивысшей производительности транзисторы следует располагать не только в горизонтальной плоскости (само собой), но и в вертикальной — параллельно друг другу.

Новое поколение кремниевых компьютерных чипов, представленное в 2012-м, основано на транзисторах с вертикальной трёхмерной структурой, что должно положительно сказаться на производительности использующих такие транзисторы микросхем. Однако дальнейшее развитие будет лимитироваться ограниченной мобильностью электронов в кремнии, а потому даже для 3D-транзисторов совсем скоро потребуются совершенно новые материалы.

Индий-галлий-арсенид — один из немногих по-настоящему многообещающих полупроводниковых материалов, которые изучались на предмет замены быстро исчерпывающего себя кремния.

Транзисторы содержат такие критически важные компоненты, как затворы, которые позволяют устройствам переключаться между одним из двух состояний (вкл./выкл., или 0/1). Затворы меньшего размера работают быстрее. В сегодняшних кремниевых 3D-транзисторах длина таких затворов составляет около 22 нм. При этом «трёхмерный» дизайн транзисторов был предложен не от хорошей жизни и не от желания сэкономить на площади микросхемы. Дело в том, что затворы в 22 нм и короче в плоских транзисторах уже не работают. Сейчас инженеры ломают голову над изделиями, использующими ещё более короткие затворы: 14 нм ожидается к 2015 году (если верить планам Intel), а последний теоретический предел в 10 нм должен быть достигнут к 2018-му. Дальнейшая миниатюризация для кремния невозможна, и единственным выходом из грядущего кризиса станет переход на новые материалы.

Миниатюризация транзисторов требует также новых изолирующих материалов, или диэлектрических слоёв, которые позволяют затворам «выключаться». Когда длина затвора перевалит за 14 нм, традиционно используемый в транзисторах диэлектрический слой начнёт «протекать», что приведёт к появлению ошибок и сбоев в работе.

Нанопровода в новом транзисторе покрыты другим типом композитного изолятора, состоящего из 4-нанометрового слоя алюмината лантана и ультратонкого 0,5-нанометрового слоя оксида алюминия, который позволил учёным в лабораторных условиях уже сегодня создать транзисторы из арсенида индия-галлия с длинной затвора в 20 нм.

(Главное же — не задавать вопросы о цене таких микросхем. Она заоблачна.)