Krzem na wieki


Jak długo jeszcze

Krzem na wieki

Układ zamontowany na zimnym palcu kriostatu w laboratorium Uniwersytetu Georgia. Za chwilę padnie rekord

Nawet Intel zdaje sobie sprawę, że tranzystory zbudowane głównie z krzemu nie będą się mogły zmniejszać w nieskończoność. Jeśli tempo miniaturyzacji nie spadnie, po roku 2015 skala procesu osiągnie poziom atomowy. Nie wiadomo jeszcze, jak sobie z tym poradzić. Być może ta niewiadoma stanie się powodem powrotu. Czeka już kilka opcji, między innymi krzemowo-germanowy 500-gigahercowy układ z IBM.

Od pewnego czasu naukowcy z uniwersytetów i różnych korporacji rozważają możliwość zamiany krzemu na inny materiał, zwykle jeden z półprzewodników z grup III-V okresowego układu pierwiastków. Procesory zbudowane ze związków germanu, indu i galu z krzemem lub bez niego mają wiele zalet, a wśród nich większą ruchliwość elektronów. Tę przewagę nad krzemem ma na przykład arsenek galu (GaAs). Jego większa ruchliwość powinna, przynajmniej teoretycznie, umożliwiać pracę z wyższą częstotliwością taktowania. Ten materiał ma już swoją smutną historię. Superkomputerowi guru z firmy Cray wykorzystali układy z arsenku galu w Cray-2, zamierzali je przyspieszyć i wprowadzić do następnego modelu. Niestety, nie opanowali w porę procesu produkcyjnego, firma zbankrutowała i pomysł upadł.

Na poważnie

Krzem na wieki

Ściskanie i rozciąganie

Sukcesy krzemu w czasie ostatnich dekad odwróciły uwagę od innych materiałów, ale w miarę jak jego panowanie nieuchronnie zbliża się do końca, powraca zainteresowanie alternatywami. W Stanach Zjednoczonych już od roku pracuje nowe, międzyuniwersyteckie centrum badawcze, zajmujące się nieklasycznymi układami CMOS. Rozpoczął się projekt Sematech, do którego budżetu dołożyli się najwięksi producenci półprzewodników. Badania obejmują potencjalne możliwości pierwiastków grup III-V. Na pierwszy ogień poszedł german i jego związek z krzemem. Celem jest znalezienie takiego materiału, który dzięki swoim skalowalnym cechom mógłby powtórzyć karierę krzemu i jednocześnie rozwiązać dzisiejsze problemy.

Niemniej jednak, zanim pewnego dnia ruszą procesory nowej generacji oparte na egzotycznych związkach III-V, należy się spodziewać rozwiązań pośrednich. Na przykład połączenia siły SiGe z bardziej konwencjonalnymi krzemowymi waflami, dotychczasowymi fabrykami i technologiami. Odkształcony silikon prawdopodobnie też dopiero rozpoczyna erę hybrydową, polegającą na rozmaitych modyfikacjach z krzemem w roli głównej. AMD zapowiedziało już wprowadzenie warstw SiGe w rejony źródła i drenu tranzystora, oczekując po tym znaczącego wzrostu wydajności.

Tymczasem Intel lokuje swe nadzieje w antymonku indu (InSb). Na pierwszy rzut oka to raczej podejrzany wybór, bo choć z jednej strony dobrze nadaje się na tranzystor z powodu dużo większej ruchliwości elektronów niż w krzemie, z drugiej - jest bardzo kiepski ze względu na kłopoty ze sterowaniem powyżej temperatury ciekłego azotu, która przecież pozostaje poza zasięgiem nawet najlepszych układów chłodzenia.

Ratunek znaleziono w kanapce. Czysty antymonek indu przełożono warstwą tego samego materiału wymieszanego z aluminium. Tworzy się studnia kwantowa, która trzyma w ryzach zbuntowane elektrony i nie pozwala im uciekać z wytyczonego szlaku. Ponieważ ich ruch przebiega z mniejszym oporem, wytwarza się o wiele mniej ciepła. Korzyści w postaci wzrostu szybkości i mniejszego zużycia energii są nadzwyczajne. Tranzystory InSb zadowalają się dziesięciokrotnie mniejszą liczbą watów, jednocześnie przyspieszając o 50 procent. Jeśli Intel zrealizuje plany zintegrowania tej technologii z istniejącym podłożem krzemowym, przejście na InSb stanie się bardziej wygodne niż wybranie innych egzotycznych alternatyw.

Potęga tradycji

Zmiany będą napotykać opór. Intel, AMD, IBM razem z resztą głównych producentów układów i niezależnych właścicieli fabryk zainwestowali miliardy w technologię opartą na krzemie i właśnie mijają trzy dekady coraz lepszego rozumienia i usprawniania produkcji. Nawet jeśli konkurencyjna technologia będzie kusić ogromnym wzrostem wydajności, giganci nie porzucą dotychczasowego dorobku z dnia na dzień. A więc trudno oczekiwać, żeby procesory w niedalekiej przyszłości wyglądały i pracowały zdecydowanie inaczej niż dzisiejsze, nawet jeśli w kolejce czekają 500 GHz, SiGe i optyczne ścieżki.

Ściskanie i rozciąganie

Prędkość przepływu ładunków zależy od szczegółów struktury krystalicznej krzemu. Wokół każdego atomu ruch elektronów opisują orbitale, które w szczególnych wypadkach mogą wspólnie utworzyć kanał, pozwalający elektronom i dodatnio naładowanym "dziurom" poruszać się przez siatkę krystaliczną.

Orbitale maja charakterystyczny kształt - widoczny na rysunku. Dla nas ważne jest, że dwa z nich leżą wzdłuż kierunku ruchu elektronów, a pozostałe cztery - poprzecznie do niego.

W zwykłym krzemie cała szóstka orbitali jest identyczna, dlatego żaden z kierunków ruchu nie jest wyróżniony. Możemy to zmienić, rozciągając w jedną stronę siatkę krystaliczną. Wtedy energia orbitali leżących równolegle zostanie zmniejszona, pozwalając elektronom na łatwiejsze poruszanie się. Przeciwny skutek wywoła ściskanie kryształu: w ten sposób ułatwi się ruch ładunków dodatnich.

Wykorzystanie tego efektu w praktyce nie jest łatwe. W części tranzystorów znajdują się obszary krzemu domieszkowane na przykład atomami fosforu w celu uzyskania nadmiaru elektronów (typ n), gdzie indziej borem, który przysparza dodatnio naładowanych dziur, tworząc półprzewodnik typu p. Aby ścisnąć tego rodzaju materiał, rzeźbi się rowy na jego przeciwległych brzegach i zapełnia związkiem krzemu z germanem. Ten dodatek ma większą stałą sieciową niż sam krzem, więc krystalizując, rozpycha się, ściskając sąsiednie warstwy oryginalnego kryształu. Taki zabieg zwiększa przewodnictwo dziurowe o 25 procent.

Do rozciągnięcia siatki krystalicznej wykorzystuje się inny sposób. W wysokiej temperaturze tranzystor pokrywa się warstwą związku krzemu z azotem, który w czasie studzenia mniej się kurczy od czystego silikonu. Dzięki temu w czasie obniżania temperatury i budowania siatki krystalicznej atomy krzemu są utrzymywane w większych odległościach niż zwykle. W efekcie przewodnictwo elektronowe rośnie o 10 procent.