Oltre il silicio, il futuro dei transistor e dei semiconduttori

Da settanta anni l'industria dei semiconduttori continua a vivere, anno dopo anno, il periodo più interessante della sua storia. Tutto ebbe inizio nel 1947 quando William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain inventarono il transistor, il dispositivo che ha segnato la storia dell’elettronica. Il suo funzionamento è semplicissimo: l’elettrodo gate permette di controllare il passaggio di una corrente elettrica nel canale, che collega l’elettrodo source e l’elettrodo drain, come la valvola di una conduttura d’acqua.

2300 transistor

Quindici anni dopo entrò sul mercato il primo circuito integrato di Intel, con al suo interno duemilatrecento transistor. Per realizzarlo furono sufficienti una manciata di atomi: idrogeno, silicio, ossigeno, boro, fosforo e alluminio. Da quel momento iniziò la gara per la miniaturizzazione. Gordon Moore, co-fondatore di Intel, osservò che il numero di transistor nei circuiti integrati raddoppiava ogni due anni. Bob Dennard di Ibm comprese come ridurre le dimensioni di un transistor e formulò le leggi che regolano le regole del gioco della miniaturizzazione. Un gioco in cui, se riesci a stare al passo, ottieni transistor sempre più piccoli, capaci di funzionare ad una velocità sempre maggiore, con un consumo energetico sempre minore e ad un prezzo sempre più basso. Un miracolo.

Giorgio Signorello è uno scienziato e ricercatore di Ibm Research a Zurigo. Dopo aver conseguito una doppia laurea in ingegneria fisica al Politecnico di Milano e alla Chalmers University of Tecnology (Svezia), e aver lavorato per ABB Corporate Research, si è unito al team Materials Integration e Nanoscale Devices (MIND) di Ibm Research e ha conseguito il dottorato di ricerca in Fisica presso l’Università di Basilea. Per la sua ricerca sugli effetti di stress e deformazioni meccaniche in nanostrutture di semiconduttore III-V, ha ricevuto il premio METAS 2014 della Swiss Physical Society. I suoi interessi riguardano dispositivi elettronici e optoelettronici basati su semiconduttori III-V, tecnologie di fabbricazione di dispositivi su scala nanometrica, proprietà optoelettroniche dei materiali ed effetti di deformazione meccanica su dispositivi optoelettronici.

Durante 35 anni di crescita esponenziale, seguendo le leggi di Dennard, i computer hanno fatto la comparsa negli uffici, nelle case, nelle nostre tasche, fino ai nostri polsi. Ma dal 2005 in poi, l’accelerazione nella miniaturizzazione dei transistor rallentò: fu la fisica dei semiconduttori a imporre nuove regole e mostrare limiti. L’industria dei semiconduttori non si arrese, mettendosi alla ricerca di soluzioni innovative.

Questione di canali

Una regola costruttiva per ridurre la dimensione dei transistor ha obbligato a dimezzare la lunghezza del canale, accorciando la distanza tra source e drain. Ma con il canale che diventa sempre più corto, diventa sempre più difficile per il gate mantenere il controllo degli elettroni nel canale. Per ovviare a questi problemi, l’industria ha abbandonato la geometria planare del transistor ed hanno fatto la comparsa sul mercato dispositivi tridimensionali, come i gate-all-around transistors, che permettono una maggiore superficie di contatto con il materiale del canale e un migliore controllo della carica elettrica al suo interno.

Ibm Transistor Skecth
Evoluzione della geometria e dei material dei transistor: MOSFET planare in Silicio (sinistra) e III-V Gate-All-Around FET (destra)

Per migliorare ulteriormente le prestazioni dei transistor sono diventate necessarie tecnologie che permettono di incrementare la mobilità degli elettroni, ovvero aumentare la velocità degli elettroni nel semiconduttore [1]. Elevata mobilità si traduce in correnti più elevate, che rendono possibile la formazione di potenziali elettrostatici in un tempo minore e permettono ai processori di operare a frequenze più elevate. Una tecnologia utilizzata per migliorare le prestazioni del silicio consiste nella generazione di deformazioni meccaniche nel reticolo cristallino del semiconduttore: utilizzando materiali particolari per incapsulare il transistor è possibile indurre piccole deformazioni della struttura cristallina del silicio nel canale, che permettono agli elettroni di viaggiare nel dispositivo in modo più rapido.

Una seconda alternativa è quella di sostituire completamente il silicio nel canale con nuovi materiali ad elevata mobilità come i semiconduttori III-V (per esempio, InAs, arseniuro di indio, oppure InGaAs, arseniuro di gallio e indio). Questa classe di semiconduttori permette di ottenere transistor a velocità dieci volte più elevate di quella del silicio, ma la sostituzione completa del silicio è proibitiva da un punto di vista economico. Diventa quindi essenziale l’introduzione di nuovi processi di fabbricazione per mantenere i costi ad un livello sostenibile.

Ibm Transistor
Sezione di un transistor realizzato con geometria gate-all-around utilizzando la tecnologia TASE di IBM, utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione. Adattato da H. Schmid et al. © American Institute of Physics 2015

La tecnologia TASE (Template Assisted Selective Epitaxy) [2,3], sviluppata ad IBM Research a Zurigo, permette di integrare semiconduttori III-V direttamente su silicio in modo locale, soltanto dove è necessario. Le applicazioni di questa tecnologia vanno oltre al transistor ad elevata performance: queste nanostrutture consentono infatti di realizzare sorgenti di luce laser e dispositivi in cui la luce può essere generata, modulata e rivelata direttamente sul chip di silicio.

In questo nuovo contesto applicativo, le tecnologie sviluppate per migliorare le perfornance dei transistor si sono dimostrate utili anche per ottenere nuove modalità di controllo delle proprietà ottiche dei semiconduttori. Ad esempio, utilizzando deformazioni meccaniche è possibile variare in modo continuo ed in un range molto largo il colore della luce emessa dalle nanostrutture III-V [4], una proprietà essenziale per realizzare laser in cui il colore della luce può essere controllato. Un’altra possibilità, disponibile unicamente per le nanostrutture, e quella di cambiare a piacimento le proprietà del semiconduttore da uno stato chiamato “bandgap diretto”, in cui il semiconduttore emette luce in modo efficiente, ad uno stato “bandgap pseudo-diretto” dove il semiconduttore si comporta in modo simile al silicio [5]. Questa proprietà permette di realizzare dispositivi che possono funzionare in modo efficiente sia da emettitori di luce che da fotorivelatori [6].

L’integrazione di nanostrutture basate su semiconduttori III-V sarà quindi una tecnologia fondamentale, sia per lo sviluppo di transistor e circuiti integrati ad elevata performance, sia per sistemi di comunicazione ottica integrati su silicio, che permetteranno l’esplosione della banda di comunicazione disponibile tra circuiti integrati. Nei prossimi dieci anni assisteremo a come queste tecnologie renderanno possibile una crescita esponenziale nelle capacita di calcolo, uno sviluppo critico per i Data Centers, per applicazioni Cloud, Big Data Analytics e High-Performance Computing, con coseguenze che supereranno di gran lunga le nostre aspettative di oggi.

Bibliografia

1 - III–V compound semiconductor transistors—from planar to nanowire structures

2 - Template-assisted selective epitaxy of III–V nanoscale devices for co-planar heterogeneous integration with Si Schmid, M. Borg, K. Moselund, L. Gignac, C.M. Breslin, J. Bruley, D. Cutaia, and H. Riel Applied Physics Letters, 106, 233101 (2015)

3 - IBM Demos III-V on Silicon: Moore's Law extended again?

4 - Tuning the Light Emission from GaAs Nanowires over 290 meV with Uniaxial Strain Giorgio Signorello, Siegfried Karg, Mikael T. Björk, Bernd Gotsmann, and Heike Riel Nano Lett., 2013, 13 (3), pp 917–924

5 - Inducing a direct-to-pseudodirect bandgap transition in wurtzite GaAs nanowires with uniaxial stress Signorello, E. Lörtscher, P.A. Khomyakov, S. Karg, D.L. Dheeraj, B. Gotsmann, H. Weman & H. Riel Nature Communications 5, Article number: 3655

6 - IBM Combines Light Emission and Detection in Single Nanowire

Se questo articolo ti è piaciuto e vuoi rimanere sempre informato sulle novità tecnologiche iscriviti alla newsletter gratuita.

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here