Najważniejsze wiadomości - Mikroukłady dla ery mobilnej informacji
W zeszłym roku sprzedaż smartfonów po raz pierwszy w historii przekroczyła sprzedaż laptopów, co sugeruje, że wkraczamy w nową fazę epoki informacji. Witamy w erze informacji mobilnej! W początkowej fazie ery internetu komputery stacjonarne oraz laptopy były połączone ze sobą oraz ze źródłami informacji za pośrednictwem naziemnych linii telefonicznych. Podczas tej wczesnej epoki internetu część osób stosunkowo często z niego korzystała, wielu robiło to okazjonalnie, a większość praktycznie nigdy. Powyższa sytuacja uległa radykalnej zmianie wraz z rozwojem komunikacji bezprzewodowej, a jej kulminację stanowią smartfony, które są podłączone do internetu w sposób ciągły. Zmiany, które miały miejsce, były możliwe dzięki wydajnym układom elektronicznym, które są lżejsze i mniejsze niż ich poprzednicy, a jednocześnie szybsze i bardziej wydajne. Jednak nowo opracowywane urządzenia i usługi będą wymagały jeszcze mniejszych i bardziej energooszczędnych mikroukładów nowej generacji, charakteryzujących się większą szybkością transmisji i przetwarzania danych. Unia Europejska inwestuje znaczne środki finansowe na rzecz wspierania kluczowej roli Europy w społeczeństwie informacyjnym. Projekt "Dwukanałowe układy CMOS przeznaczone dla wydajnych układów logicznych realizowanych w technice poniżej 22 nm" ('Dual-channel CMOS for sub-22 nm high performance logic' - Duallogic) stanowi doskonały przykład powyższych, ogólnoeuropejskich wysiłków. "Pragnęliśmy zwiększyć wydajność przyszłych urządzeń, zasilanych niższym napięciem, osiągając większą prędkość pracy przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia energii. Sprostanie powyższemu wyzwaniu jest niezbędne w kontekście aplikacji multimedialnych, pracujących na niewielkich urządzeniach przenośnych, zasilanych bateriami o ograniczonej pojemności", mówi Athanasios Dimoulas, koordynator projektu Duallogic. Projekt Duallogic uzyskał wsparcie w wysokości 5,8 milionów euro ze strony Unii Europejskiej (całkowity budżet projektu wyniósł 9,3 milionów euro). Osięgnięcie wysokiej wydajności oraz energooszczędności stanowiły dwa główne cele tego ambitnego projektu, realizowanego w ramach podprogramu STREP, będącego częścią Siódmego Programu Ramowego . Po 40 latach nieustannej miniaturyzacji dalsze zwiększenie wydajności mikroukładów staje się coraz trudniejszym zadaniem. W związku z powyższym naukowcy, inżynierowie oraz projektanci uczestniczący w projekcie Duallogic musieli wykazać się kreatywnością. Jako podłoże zastosowali krzem, jednak do stworzenia kanału przewodzącego, zlokalizowanego wewnątrz milionów tranzystorów tworzących mikroukład, wykorzystali mniej popularne materiały półprzewodnikowe. Bazując na unikalnych właściwościach szeregu materiałów półprzewodnikowych zespół Duallogic pragnął zwiększyć wydajność mikroukładów w stopniu przekraczającym możliwości układów krzemowych, tworząc podwaliny pod mniejsze i bardziej wydajne układy elektroniczne. "Powszechnie wiadomo, że układy scalone, będące «mózgiem» systemów elektronicznych, wytwarzane są z krzemu. Chociaż materiał ten występuje powszechnie i jest łatwy do obróbki, to nie zapewnia wystarczająco szybkiego transportu elektronów, zwłaszcza przy niskich napięciach", zauważa Dr Dimoulas. "W ramach projektu Duallogic pragnęliśmy zastąpić krzemowe kanały tranzystorów kanałami wykonanymi w oparciu o inne materiały półprzewodnikowe, np. german oraz półprzewodniki intermetaliczne, w celu zwiększenia prędkości przemieszczania się nośników ładunku (elektronów i dziur) wewnątrz tranzystorów". Było to duże wyzwanie, gdyż zespół pracował nad wielkoskalowymi płytkami krzemowymi, bazując na przemysłowych technikach wytwarzania. Właśnie dlatego w projekcie Duallogic uczestniczyło tak wiele wiodących, europejskich instytutów i podmiotów przemysłowych, np. belgijskie imec oraz Katolicki Uniwersytet w Leuven, AIXTRON w Niemczech, CEA LETI oraz STMicroelectronics we Francji, NCSR DEMOKRITOS w Grecji, Uniwersytet w Glasgow w Wielkiej Brytanii, oraz IBM-Zurich w Szwajcarii. Podwójna logika Projekt otrzymał nazwę Duallogic, gdyż w jego ramach wykorzystano dwa rodzaje materiałów służących do produkcji kanałów stosowanych w mikroukładach - inne dla półprzewodników typu p (niedomiarowych) i inne dla przewodników typu n (nadmiarowych). W przypadku tranzystorów typu p uczestnicy projektu zastosowali german (Ge) oraz krzemogerman (SiGe), natomiast w przypadku tranzystorów typu n wykorzystali arsenek indowo-galowy (InGaAs), posiadający obiecujące właściwości w zakresie półprzewodnictwa nadmiarowego. Powyższe materiały wybrano ze względu ich dobre parametry w zakresie transportu nośników ładunku w poszczególnych typach tranzystorów. Związek InGaAs bywa określany jako półprzewodnik III-V, gdyż tworzą go pierwiastki zlokalizowane pomiędzy trzecią a piątą kolumną układu okresowego. Powyższe związki zapewniają znacznie lepszą ruchliwość ładunków, która stanowi miarę łatwości przemieszczania się nośników ładunku wewnątrz struktury półprzewodnikowej. Większa ruchliwość oznacza większą wydajność. German zapewnia zwiększoną ruchliwość ładunków w przypadku tranzystorów typu p. "Takie podejście traktowane jest jako priorytetowe przez wiele światowych laboratoriów z zakresu B+RT oraz integracji", zauważa Dr Dimoulas. Powyższa ścieżka badawcza okazała się być bardzo owocną również w kontekście projektu Duallogic. ''Udało nam się skutecznie wdrożyć krzemogermanowe tranzystory typu p i osiągnąć doskonałe wyniki, wręcz przekraczające nasze oczekiwania", mówi Dr Dimoulas. W przypadku tranzystorów typu n wyniki były bardziej zróżnicowane, jednak również pozytywne. Uczestnikom projektu udało się także stworzyć tranzystory typu InGaAs oraz opracować metodę umieszczania ich na podłożu krzemowym, w celu ograniczenia kosztów produkcji. Jest to duże osiągnięcie, gdyż w przypadku osadzania tranzystorów III-V na podłożu krzemowym istnieją znaczące wyzwania integracyjne i architekturalne. Jak twierdzi koordynator projektu, osadzenie tranzystorów typu p okazało się dużo łatwiejsze: "Ze względu na to, że german i krzem znajdują się w czwartej grupie układu okresowego, ich struktury są podobne oraz pierwiastki te są kompatybilne chemicznie, a zatem german może być przetwarzany podobnie jak krzem". Natomiast InGaAs jest mniej kompatybilny z krzemem, a także charakteryzuje się większym niedopasowaniem strukturalnym, co prowadzi do wyzwań produkcyjnych. Wspólna integracja obu typów tranzystorów jest jeszcze bardziej złożona, dodaje Dr Dimoulas, jednak zespół projektowy opracował nowe narzędzie produkcyjne, pozwalające stawić czoła wyzwaniu jakim osadzanie warstw III-V na podłożu krzemowym. Dr Dimoulas sugeruje, że niezbędne są dalsze badania nad tranzystorami typu n, stworzonymi w ramach projektu. Uczestnikom projektu Duallogic udało się także osiągnąć znaczące wyniki w pracach nad konkretnym typem architektury tranzystorów, zwanym bezdomieszkowymi tranzystorami ze studnią kwantową ('implant-free quantum well transistors'), które mogą stanowić podstawę do stworzenia mikroukładów charakteryzujących się większą wydajnością niż konwencjonalne tranzystory o strukturze metal-tlenek-półprzewodnik ('metal oxide semiconductor' - MOS). Podmioty przemysłowe "Mieliśmy szczęście, że do konsorcjum dołączył imec oraz CEA-LETI, gdyż dzięki nim mogliśmy nawiązać kontakt z kluczowymi przedstawicielami przemysłu półprzewodnikowego", zauważa Dr Dimoulas. Członkowie konsorcjum mają nadzieję, że przeprowadzone przez nich badania będą kontynuowane w ramach zakrojonego na szerszą skalę projektu, obejmującego większą liczbę partnerów, gdyż uzyskane dotychczas wyniki, chociaż są bardzo zaawansowane, nie mogą być jeszcze bezpośrednio wykorzystane w przemyśle. "Pragniemy także opracować prostsze układy, np. oscylatory pierścieniowe oraz inwertory, w związku z czym w chwili obecnej analizujemy stosowne instrumenty B+RT, pozwalające kontynuować nasze prace", informuje Dr Dimoulas. Prace prowadzone w ramach projektu Duallogic mają ponadto wpływ na rozwój ofert technologicznych przedkładanych do oceny przez Międzynarodowe Konsorcjum Producentów Półprzewodników ('International Technology Roadmap for Semiconductors' - ITRS), które określa przyszłe, strategiczne kierunki badań, pozwalające osiągnąć dalszą miniaturyzację. "Dzięki pomocy przedstawicieli środowiska akademickiego oraz inżynierów rozwoju procesów, uczestnikom projektu udało się zbadać zaawansowane i ryzykowne możliwości technologiczne", zauważa Dr Dimoulas. Powyższe działania pozwalają przedstawicielom przemysłu zidentyfikować potencjalnie lepsze rozwiązania w zakresie oferowanych przez nich produktów, twierdzi Dr Dimoulas, co pozwala oszczędzić czas i pieniądze oraz umożliwia skupienie się na krótkoterminowych potrzebach z zakresu wytwarzania i rozwoju produktów. "Współpraca «Producentów Urządzeń Zintegrowanych» ('Integrated device manufacturers' - IDM) z producentami sprzętu, w ramach wspólnego projektu, stanowi doskonałą okazję dla przemysłu nanoelektronicznego do podjęcia wczesnych decyzji odnośnie inwestycji w wyposażenie, wymaganych przez przyszłą produkcję masową", podsumowuje Dr Dimoulas. Projekt Duallogic uzyskał wsparcie finansowe w ramach Siódmego Programu Ramowego UE, podprogram i linia budżetowa ICT "Komponenty nanoelektroniczne oraz integracja elektroniczna nowej generacji" ('Next-generation nanoelectronics components and electronics integration'). Użyteczne odnośniki: - "Dwukanałowe układy CMOS przeznaczone dla wydajnych układów logicznych realizowanych w technice poniżej 22 nm" - 'Dual-channel CMOS for sub-22 nm high performance logic' project - Informacje na temat projektu Duallogic w bazie danych CORDIS - Informacje na temat badań w dziedzinie nanoelektroniki w bazie danych CORDIS Odnośne publikacje: - "Małe i mniejsze: miniaturyzacja układów półprzewodnikowych w ramach projektów unijnych" - 'Tiny and tinier: EU projects minimise size of semiconductor chips' - "Projekty 6PR na rzecz utrzymania UE w forpoczcie nanoelektroniki" - 'FP6 project to keep EU at forefront of nanoelectronics' - "45-nanometrowe układy dla celów ultra-szybkiej transmisji WiFi" - '45-nanometre chips for ultra-fast WiFi' - "Miedź nie nadąża: nowe układy wymagają prędkości światła" - 'Copper's not coping: new chips call on light speed'