MIT-Entdeckung bietet neues Versprechen für Computer-Transistoren aus Nicht-Silizium

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Einst nur für Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssysteme geeignet, könnte eine Legierung namens InGaAs eines Tages dem Silizium in der Hochleistungsberechnung Konkurrenz machen.
Jahrzehntelang hat ein Material die Produktion von Computerchips und Transistoren so dominiert, dass die Tech-Hauptstadt der Welt – Silicon Valley – seinen Namen trägt.

Aber die Herrschaft von Silizium könnte nicht ewig andauern.
Forscher des MIT haben herausgefunden, dass eine Legierung namens InGaAs (Indium-Gallium-Arsenid) das Potenzial für kleinere und energieeffizientere Transistoren haben könnte. Bisher dachten die Forscher, dass sich die Leistung von InGaAs-Transistoren bei kleinen Abmessungen verschlechtert.

Die neue Studie zeigt jedoch, dass diese scheinbare Verschlechterung keine intrinsische Eigenschaft des Materials selbst ist.

Diese Erkenntnis könnte eines Tages dazu beitragen, die Leistung und Effizienz von Computern über das hinaus zu steigern, was mit Silizium möglich ist. “Wir sind wirklich aufgeregt”, sagte Xiaowei Cai, der Hauptautor der Studie. “Wir hoffen, dass dieses Ergebnis die Community dazu ermutigt, die Verwendung von InGaAs als Kanalmaterial für Transistoren weiter zu erforschen.”
Cai, die jetzt bei Analog Devices arbeitet, hat die Studie als Doktorandin in den MIT Microsystems Technology Laboratories und im Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) bei Donner-Professor Jesús del Alamo durchgeführt. Zu ihren Co-Autoren gehören Jesús Grajal von der Polytechnischen Universität Madrid, sowie Alon Vardi und del Alamo vom MIT.

Die Arbeit wird diesen Monat auf dem virtuellen IEEE International Electron Devices Meeting vorgestellt.
Transistoren sind die Bausteine eines Computers.

Ihre Rolle als Schalter, die den elektrischen Strom entweder anhalten oder fließen lassen, ermöglicht eine atemberaubende Anzahl von Berechnungen – von der Simulation des globalen Klimas bis zum Abspielen von Katzenvideos auf Youtube.

Ein einziger Laptop könnte Milliarden von Transistoren enthalten.

Damit die Rechenleistung in Zukunft noch besser wird, wie schon seit Jahrzehnten, müssen die Elektroingenieure kleinere, dichter gepackte Transistoren entwickeln.

Bislang war Silizium das Halbleitermaterial der Wahl für Transistoren.

Aber InGaAs hat Anzeichen gezeigt, ein potenzieller Konkurrent zu werden.
Elektronen können mit Leichtigkeit durch InGaAs flitzen, selbst bei niedriger Spannung.

Das Material ist “für seine großartigen [Elektronen-]Transporteigenschaften bekannt”, sagt Cai.

InGaAs-Transistoren können Signale schnell verarbeiten, was möglicherweise zu schnelleren Berechnungen führt. Außerdem können InGaAs-Transistoren bei relativ niedriger Spannung arbeiten, was bedeutet, dass sie die Energieeffizienz eines Computers verbessern könnten. InGaAs scheint also ein vielversprechendes Material für Computer-Transistoren zu sein.

Aber es gibt einen Haken.
Die vorteilhaften Elektronentransporteigenschaften von InGaAs scheinen sich auf kleinen Skalen zu verschlechtern – den Skalen, die benötigt werden, um schnellere und dichtere Computerprozessoren zu bauen.

Das Problem hat einige Forscher zu der Schlussfolgerung veranlasst, dass InGaAs-Transistoren im Nanomaßstab einfach nicht für diese Aufgabe geeignet sind.

Aber, sagt Cai, “wir haben herausgefunden, dass das ein Missverständnis ist.”
Das Team fand heraus, dass die Leistungsprobleme von InGaAs im kleinen Maßstab zum Teil auf Oxid-Fallen zurückzuführen sind.

Dieses Phänomen bewirkt, dass Elektronen beim Versuch, durch einen Transistor zu fließen, stecken bleiben. “Ein Transistor soll wie ein Schalter funktionieren. Man will eine Spannung einschalten können und eine Menge Strom haben”, sagt Cai. “Aber wenn man Elektronen einschließt, schaltet man zwar eine Spannung ein, hat aber nur eine sehr begrenzte Strommenge im Kanal. Die Schaltfähigkeit ist also viel geringer, wenn man diese Oxideinschlüsse hat.”
Cais Team hat die Oxideinschlüsse als Schuldigen ausgemacht, indem es die Frequenzabhängigkeit des Transistors untersuchte – die Rate, mit der elektrische Impulse durch den Transistor gesendet werden.

Bei niedrigen Frequenzen schien die Leistung der nanoskaligen InGaAs-Transistoren vermindert zu sein.

Aber bei Frequenzen von 1 Gigahertz oder mehr funktionierten sie einwandfrei – Oxid-Trapping war kein Hindernis mehr. “Wenn wir diese Bauteile bei wirklich hohen Frequenzen betreiben, haben wir festgestellt, dass die Leistung wirklich gut ist”, sagt sie. “Sie sind konkurrenzfähig mit der Siliziumtechnologie.”
Cai hofft, dass die Entdeckung ihres Teams Forschern einen neuen Grund gibt, InGaAs-basierte Computertransistoren zu verfolgen.

Die Arbeit zeigt, dass “das zu lösende Problem nicht wirklich der InGaAs-Transistor selbst ist.

Es ist dieses Oxid-Trapping-Problem”, sagt sie. “Wir glauben, dass dies ein Problem ist, das gelöst oder herausgearbeitet werden kann.” Sie fügt hinzu, dass InGaAs sowohl in klassischen als auch in Quantencomputer-Anwendungen vielversprechend ist.
“Dieser Bereich bleibt sehr, sehr spannend”, sagt del Alamo. “Wir sind begeistert davon, Transistoren bis an die Grenze der Leistungsfähigkeit zu treiben.” Eines Tages könnte diese extreme Leistung mit Hilfe von InGaAs erreicht werden.
Diese Forschung wurde zum Teil von der Defense Threat Reduction Agency und der National Science Foundation unterstützt.

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