Analog/RF performance of Hexagonal Gate All Around Nanosheet FET with Spacer Engineering

Per comprendere il lavoro di questi ricercatori, bisogna innanzitutto immaginare i minuscoli interruttori che alimentano il nostro mondo moderno. Questi sono i transistor, i blocoli fondamentali dei chip per computer. Per decenni, gli ingegneri li hanno resi sempre più piccoli per concentrare più potenza in meno spazio. Tuttavia, man mano che questi interruttori si rimpiccioliscono fino alle dimensioni di pochi atomi, iniziano a comportarsi in modo imprevedibile. I segnali elettrici che dovrebbero scorrere fluidamente attraverso il dispositivo iniziano a fuoriuscire, e il controllo che la porta principale esercita sul flusso di elettricità si indebolisce. Questo è un problema noto come effetti di canale corto, e minaccia di bloccare il progresso di un'elettronica più veloce ed efficiente. Per risolvere questo problema, gli scienziati si sono rivolti a un design chiamato Gate-All-Around Nanosheet Field-Effect Transistor. In questa struttura, il canale attraverso il quale scorre l'elettricità è completamente avvolto dalla porta (gate), offrendo un controllo superiore. Eppure, anche con questa forma avanzata, ci sono altre parti del dispositivo che influenzano le prestazioni, specificamente gli spacer. Questi sono strati isolanti posizionati vicino alle estremità sorgente e drain del transistor. Sebbene sembrino semplici riempitivi, le loro proprietà materiche dettano quanta capacità elettrica indesiderata si accumuli, il che a sua volta limita la velocità con cui l'interruttore può operare e quanto bene possa amplificare i segnali.

In uno studio recente, i ricercatori Lakshana Chandana e Subba Rao Suddapalli, dell'Indian Institute of Information Technology Design and Manufacturing di Kurnool, si sono posti l'obiettivo di ottimizzare questi spacer per spremere la migliore prestazione possibile da questi transistor a nanosheet. Non stavano costruendo chip fisici in un laboratorio, ma stavano utilizzando potenti simulazioni informatiche per modellare il comportamento del dispositivo. Il loro obiettivo era vedere se cambiare il materiale dello spacer potesse migliorare la capacità del transistor di gestire segnali analogici e radiofrequenze, che sono critiche per tutto, dalle comunicazioni degli smartphone all'elaborazione di dati ad alta velocità. Hanno iniziato testando un singolo strato di materiale per lo spacer, confrontando tre opzioni comuni: biossido di silicio, nitruro di silicio e ossido di afnio. Hanno scoperto che la scelta del materiale creava un netto compromesso. Lo spacer in biossido di silicio, che ha una bassa capacità di immagazzinare carica elettrica, ha prodotto le velocità di commutazione più elevate, raggiungendo una frequenza di 540,19 gigahertz. Tuttavia, lo spacer in nitruro di silicio, che si colloca nel mezzo dello spettro, offriva il miglior equilibrio per l'amplificazione dei segnali, fornendo un guadagno di tensione più elevato. Lo spacer in ossido di afnio, pur essendo buono per controllare il flusso di corrente, creava troppe interferenze elettriche per essere utile nelle applicazioni ad alta velocità.

I ricercatori si sono poi spinti oltre i singoli strati per testare un'idea più complessa: l'uso di due materiali diversi impilati insieme. Ipotizzavano di poter ottenere il meglio di entrambi i mondi posizionando un materiale a bassa immagazzinamento di carica all'esterno per ridurre le interferenze, e un materiale a immagazzinamento di carica moderato all'interno per mantenere un forte controllo sul canale elettrico. Hanno simulato varie combinazioni, ma una disposizione specifica si è distinta come la vincitrice assoluta. Posizionando uno strato di biossido di silicio all'esterno e uno strato di nitruro di silicio all'interno, hanno creato una struttura ibrida che ha superato qualsiasi opzione a singolo materiale. Questo design a doppio strato ha permesso al transistor di commutare a una frequenza di 580,96 gigahertz, un salto significativo rispetto al miglior risultato del singolo strato. Più importante ancora, ha migliorato drasticamente la capacità del dispositivo di amplificare i segnali. Il prodotto guadagno-frequenza, una misura di quanto bene il dispositivo possa potenziare un segnale operando ad alte velocità, è aumentato di quasi il 30 percento rispetto allo standard dello spacer in biossido di silicio.

Il successo di questo approccio a doppio strato deriva dal modo in cui i due materiali lavorano insieme. Lo strato esterno di biossido di silicio agisce come uno scudo, minimizzando la capacità parassita che rallenta il dispositivo. Nel frattempo, lo strato interno di nitruro di silicio assicura che la porta mantenga una presa salda sul canale elettrico, prevenendo la perdita di segnale e potenziando la capacità di amplificazione. Le simulazioni hanno dimostato che questa specifica combinazione di materiali ha migliorato le prestazioni complessive in tutti i campi. Il prodotto transconduttanza-frequenza, che riguarda l'efficienza con cui il dispositivo converte la tensione in ingresso in corrente in uscita ad alte velocità, è salito a 6.720 gigahertz per volt. Il prodotto guadagno-transconduttanza-frequenza, una misura completa delle prestazioni analogiche, ha raggiunto i 164.000 gigahertz per volt. Questi numeri indicano che il dispositivo non è solo più veloce, ma anche più efficiente e potente nella sua capacità di elaborare segnali complessi.

Sebbene lo studio confermi che questa ingegneria degli spacer a doppio strato sia una strategia altamente efficace per migliorare i transistor a nanosheet, è importante notare che questi risultati derivano da modelli informatici. I ricercatori hanno utilizzato uno strumento software sofisticato per prevedere il comportamento del dispositivo, e le loro simulazioni sono state attentamente controllate rispetto ai dati sperimentali esistenti per garantirne l'accuratezza. I risultati suggeriscono che, semplicemente riorganizzando i materiali isolanti attorno al transistor, gli ingegneri possono superare i limiti dell'uso di un singolo materiale. Questo approccio offre una chiara strada da seguire per la progettazione della prossima generazione di componenti elettronici, dove la velocità e la chiarezza del segnale sono fondamentali. Il lavoro dimostra che anche in un mondo di componenti in riduzione, la selezione e la disposizione accurata dei materiali possono produrre miglioramenti sostanziali, spingendo i confini di ciò che questi interruttori microscopici possono raggiungere.