Nanowire Transistors and RF Circuits for Low-Power Applications

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Surfplattor och mobiltelefoner med prestanda i klass med den hos stationära datorer för bara några år sedan är resultatet av den kontinuerliga hårdsatsning som i över 50 års tid stadigt lyckats göra den minsta elektronikkomponenten, transistorn, mindre, snabbare och mer strömsnål. Under senare år har det dock blivit svårare att förbättra prestandan enbart genom att minska transistorns storlek. För att längre framöver kunna få fortsatta prestandaökningar, som i sin tur kan generera nya och spännande sätt att interagera med elektronik, kan det behövas helt nya tillverkningsmetoder. Framtida transistorer konstruerade med nanotrådar är ett alternativ som kan ge möjlighet att fortsätta öka prestandan samtidigt som energiförbrukningen kraftigt kan minskas. Vi har demonstrerat nanotrådskretsar som opererar vid gigahertz-frekvenser, vilket är unikt då det visar på en högre nivå av funktion än vad som tidigare har publicerats kring nanotrådar. För att förstå hur nanotrådsteknik kan ge framtida fördelar är det nödvändigt att ge en övergripande bakgrund. En transistor är en elektronisk ledare där flödet mellan två kontakter kan styras av och på från en tredje kontakt kallad styret. Transistorer används till att förstärka t.ex. radiosignaler, som är en analog applikation, alternativt utföra logiska beräkningar med 1:or och 0:or, som är en digital applikation. Mobiltelefonen är ett exempel på en elektronisk apparat som behöver transistorer i kretsar för både analoga och digitala applikationer. Tidigt i utvecklingen av transistorn kom kisel att vara det halvledarmaterial som framstod som bäst lämpat. Kisel finns i överflöd, vanligen i form av sand, och det har varit relativt enkelt att omvandla denna halvledare till bra elektronledare. Det finns dock andra material som har egenskaper som i vissa avseenden är mer åtråvärda när det kommer till att bygga bra transistorer. Indium Arsenid (InAs), som är en förening av två grundämnen från grupp 3 och 5 i periodiska systemet, har förmågan att kunna transportera elektroner betydligt snabbare än vad som är möjligt i kisel. Detta ger fördelar både när det gäller hur snabbt en transistor kan slå av och på, samt hur mycket energi som förbrukas vid transporten av elektroner. Forskning tyder på att energiförbrukningen hos en transistor skulle kunna minskas med en faktor 10 i jämförelse med kiselteknik, samtidigt som arbetsfrekvensen kan ökas. Arkitekturen hos en transistor har även den varit relativt konstant sedan den första integrerade kretsen utvecklades. Två kontakter har förbundits med en två-dimensionell (2D) yta, kanalen, som kan ändra motstånd genom att reglera en pålagd spänning på styret. En transistor med en 2D-kanal kallas för planar. Den aggressiva skalningen, för att öka prestandan, har dock lett till att kanalen har blivit väldigt kort i riktningen mellan de strömledande kontakterna, vilket i sin tur gör att fältverkan, inducerad av spänningen på styret, börjar bli otillräcklig. En lösning för att öka kontrollförmågan via styret är att ändra form på kanalen, och att istället för en planar design konstruera den som en pinne. Styret kan då läggas runtom pinnen och påverka från alla riktningar samtidigt. Detta är idén med en nanotrådstransistor. För att förstå hur strömmen styrs av och på i en nanotrådstransistor kan det var illustrativt att göra en liknelse med ett vattenflöde i en vattenslang. Styret fungerar då som en hand som kan greppa vattenslangen och krama åt alternativt släppa upp. Vid små dimensioner har ett omslutande styre visat sig vara långt mer effektivt än ett styre som endast inducerar ett elektriskt fält från en riktning. Vi har tillverkat nanotrådstransistorer i InAs som uppvisat mycket bra prestanda. Genom att förfina tillförlitligheten i vår process har vi även kunnat tillverka kretsar bestående av tre stycken sammankopplade nanotrådstransistorer i en mixer design. En mixer används för att konvertera en signal till en högre eller en lägre frekvens och används t.ex. i mobiltelefoner för att skicka och ta emot data. Resultatet tillhör ett av de första rapporterade för nanotrådar med en kretsprestanda som ligger i närheten av gigahertz-området och som därmed närmar sig de frekvenser som är intressanta för att skicka data. Planära kiseltransistorer kommer troligtvis att finnas kvar en lång tid framöver på grund av den låga tillverkningskostnaden. Med framtida krav på högre dataöverföring kan det dock finnas utrymme för specialiserade utökningar. Intresset från industrin inom området för alternativa tekniker är stort och många av de betydande företagen håller på med utveckling av transistorer som nyttjar nya kanaltyper och andra material än kisel.