Low-Power Nanowire Circuits and Transistors

Abstract: Popular Abstract in Swedish Hur hade vår värld sett ut utan den teknologiska revolutionen som skett de senaste decennierna? Inget internet, inga mobiltelefoner, inga surfplattor? Drivkraften bakom att det hela är en väldigt liten beståndsdel som sitter i nästan all elektronik, den så kallade transistorn. En transistor kan se lite olika ut men är i stora drag en elektrisk komponent där man styr strömmen mellan två kontakter med hjälp av en tredje kontakt kallad för gate eller styre. Man kommer inte så långt med bara en transistor men när man börjar närma sig ett antal miljarder så kommer man upp i antalet transistorer som sitter i en modern processor. Redan 1925 patenterades den första transistorn av Julius Edgar Lilienfeld men eftersom uppnnaren inte skrev om sin upptäckt i några vetenskapliga tidsskrifter så uppmärksammades inte upptäckten. Det var inte förrän 1947 då William Shockley, John Bardeen och Walter Brattain på AT&T Bell Labs byggde en fungerande transistor baserad på Lilienfelds patent som halvledarutvecklingen verkligen började ta fart. Det kontinuerliga kravet på allt snabbare och energisnålare elektronik i allt mindre och mindre format har rullat på i ett par decennier enligt en förutsägelse från Gordon Moore, en av Intels grundare, som förutspådde ett samband, att antalet transistorer på ett chip skulle fördubblas var 18:e månad. Denna förutsägelse kallas för Moores lag och har hittils följts väldigt väl. Denna ’lag’ är något som halvledarindustrin nu börjat oroa sig för då dimensionerna på transistorerna snart börjar närma sig atomära dimensioner. På den skalan börjar kvantfenomen som t.ex. tunnling ställa till med bekymmer. Tunnling är ett fenomen som gör att strömmen t.ex. kan hoppa genom en isolator som den i vanliga fall inte ska kunna göra vilket i sin tur förstör funktionaliteten man har byggt upp i sin processor. Ett mer angeläget bekymmer idag handar om energiförbrukningen och i förlängningen värmeutvecklingen på ett chip vilket har följt naturligt av Moores Lag. Det är väldigt många transistorer som ska samsas om ytan och den värme som de utvecklar måste ta vägen någon- stans. Detta syns väldigt tydligt i utvecklingen idag då både datorer och bärbara enheter som t.ex. mobiltelefoner som istället för ökade klockfrekvenser utrustas med er processorer som jobbar vid en något lägre frekvens. Denna avhandling behandlar ett antal idØer och kon- cept på hur man skulle kunna fortsätta halvindustins fantastiska resa och som ibland kallas för ’more than Moore’. Majoriteten av all elektronik idag är kiselbaserad eftersom kisel är mycket vanligt och åternns som kiseloxid i naturen i t.ex. sand och lera, och är därför väldigt billigt. Kiseltekonologin är mycket välutvecklad men kisel som material har sina begränsningar. Man pratar ofta om elektronmobilitet när man pratar om halvledarmaterial och det är en egenskap som beskriver hur lätt det är för elektroner, eller ström, att yta i materialet. Man kan t.ex. använda lite mer exotiska material som t.ex. indiumarsenid, InAs, där elektronerna kan röra sig över 20 gånger lättare än i kisel. ˜r det mycket lättare att ytta elektronerna behöver man inte lika mycket energi för att få igenom motsvarande ström som i en kiseltransistor och alltså blir även eek-xi Figure 1: En matris av InAs nanotrådar som har växt på ett kiselsubstrat. InAs förträiga egenskaper är väl lämpade för att tillverka transistorer som är bättre än motsvarande i kisel. tförbrukningen lägre. Vill man ta det hela steget längre så behöver man byta designgeometri på sin transistor. Denna utvecklingen har gått från planära eller ’platta’ transistorer till dagens transistorer som ser ut som fenor. Vill man sedan förbättra sin transistor ytterligare så formar man sin transistor som en nanotråd vilket ytterligare ökar effektiviteten på transistorn. Det finns en familj av transistorer, så kallade tunneltransistorer, där man utnyttjar tunnlingsfenomenet till sin fördel. Genom att kombinera väl valda material med varandra kan man se till att styra tunnlingsströmmen med hjälp av en gate, men med en mycket lägre energiförbrukning eftersom tunneltransistorerna är lättare att stänga av än mer konventionella transistorer. Denna avhandling omfattar ett antal nya material- och komponentkoncept inom ’more than Moore’ och ger en inblick i teknologier som framtidens transistorer skulle kunna vara baserade på.