Onderzoekers vinden manier om ultradunne transistors te maken

Onderzoekers van de Amerikaanse Cornell University hebben een nieuwe manier gevonden om transistors ultradun te maken. Ze coatten een siliciumoppervlak met een oppervlak van enkele vierkante centimeters met een laag halfgeleidermateriaal van drie atomen dik.

De uitdaging bij het maken van bruikbare apparaten is om de miljarden transistors op een chip op uniforme wijze te produceren. Dat is het team van Jiwoong Park, scheikundige aan de Cornell University, gelukt: ze maakten uniforme oppervlakken van een halfgeleidermateriaal met een dikte van slechts drie atomen. Van de schakelingen die de onderzoekers daarmee maakten, werkte 99 procent.

De onderzoekers gebruikten een materiaal in de klasse van transitie-metaal dichalcogenides of tmd's als halfgeleider. Tmd's zijn geschikt voor het maken van transistors, lichtdetectoren, zonnecellen en led's, en kunnen daarnaast in extreem dunne lagen worden gemaakt, met een dikte van slechts enkele atomen. Dat maakt ze interessant voor toekomstige elektronica.

Eerdere studies probeerden zeer dunne lagen van het materiaal te verkrijgen door laagjes van een groter stuk af te strippen. Park en zijn team coatten in plaats daarvan een silicium-oppervlak van een aantal vierkante centimeters met het tmd-materiaal. Eerdere pogingen om een oppervlak te coaten met het materiaal gebruikten corrosieve en giftige stoffen, en leverden geen gelijkmatige coating op. Park en zijn team vonden een proces waarbij stoffen worden gebruikt die relatief veilig zijn, dat bovendien een uniforme coating oplevert.

Het procedé maakt ook driedimensionale circuits mogelijk. Wanneer de eerste laag halfgeleidermateriaal op de chip zit, kunnen er nog meer lagen worden bijgezet. Wel moeten er nog een aantal problemen worden overwonnen voordat de technologie praktisch inzetbaar is. Zo duurt het coaten nu 26 uur bij een temperatuur van 550 graden Celcius.

Het bouwen van steeds kleinere schakelingen is een manier om meer transistors op een chip te krijgen. Nog altijd verdubbelen de dichtheden van chips iedere twee jaar, zoals Gordon Moore in 1975 voorspelde. Die ontwikkeling kan niet doorgaan zonder nieuwe ontdekkingen waardoor transistors kleiner gemaakt kunnen worden.

Reacties (32)

[kevlar01]

Dat het nu 3 atomen dik is, betekend dat dat we dan aan de grenzen van wat mogelijk is aanschuren?
Wat houd dit in voor de toekomstige groei? Ik neem aan dat er dan uiteindelijk andere manieren gevonden moeten worden om chips sneller te krijgen...

[bosbeetle]

Inderdaad we beginnen erg dicht bij bepaalde harde grenzen te komen, of grenzen die tot nu als hard gezien worden. Er was een hele mooie review in nature hierover een klein half jaar geleden.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25119233
http://www.nature.com/nat...513/full/nature13570.html

[Reactie gewijzigd door bosbeetle op 23 juli 2024 20:04]

[BezurK]

https://www.youtube.com/watch?v=rtI5wRyHpTg

[PuzzleSolver]

We hebben al een andere manier, dat is de chips stapelen. Meerdere lagen op elkaar, bij flash wordt dit al gedaan om 128GB micro SD te maken. Daar zitten 16 lagen flash chips in plus nog een controller.

http://www.gizmag.com/san...icrosd-memory-card/30976/

De volgende stap is niet stapelen maar 3D structuren maken in de chip zelf. Met 3 atomen dikke transistors kun je de volgende transistor laag al naar een paar nanometer beginnen. De 14nm in huidige chips is een maat in 2D. Op naar 14nm in de hoogte en er passen nog 70,000 keer zoveel transistoren in een chip van 1mm dik.

Voor dat we zover zijn moeten er nog wel wat problemen overwinnen, onder andere "hoe ga je zo'n chip nog koel houden". Verbruik moet dan met dezelfde factor naar beneden.

[sun0000]

Goed om te lezen dat de grenzen van de wet van Moore nog steeds niet zijn bereikt. Er is dus nog meer mogelijk dan alleen de 2D verkleining. Ik wist wel dat 3D nog mogelijkheden had en vraag me dan ook of dit niet de laatste stap is die kan worden gemaakt. Hierna houdt het toch op lijkt mij?

[Dekar]

Qua transistorgrootte misschien wel, maar dit is uiteraard evenredig aan processorkracht, waar genoeg nieuwe technieken van in de kinderschoenen staan. Denk bv aan Quantum Computing.

[Belgar]

Wel moeten er nog een aantal problemen worden overwonnen voordat de technologie praktisch inzetbaar is. Zo duurt het coaten nu 26 uur bij een temperatuur van 550 graden Celcius.

Ben ik de enige die hier eigenlijk geen enkel "praktisch" probleem in ziet (voor het geld dat tegenwoordig omgaat in semi-conductors)? Gewoon een oven ter grote van een huis, lange parallelle banen etc. Ik bedoel: dat siliconen substraat dat ze gebruiken wordt gemaakt van een monokristal, gemaakt bij een temperatuur van 1500 graden gedurende meerdere dagen.

Het kan vast goedkoper etc., maar als de voordelen en kwaliteit goed genoeg zijn lijkt me niet dat de temperatuur en tijdsduur iemand zullen tegenhouden.

[kzin]

Er is een prakisch probleem omdat er al andere, snellere methoden zijn om een transistor te maken. Drie atoomlagen dik is op zich ook niet nieuw. Atomic Layer Deposition om een van de vele dunne laagjes aan te brengen (metaal of isolerende oxide lagen) bestaat al langer.

Het maken van een zuiver Si boule is inderdaad duur, en kost lang, maar daarna heb je ook iets waar je enkele honderden wafers van kan maken. Op elke wafer kunnen duidenden transistoren, of een paar honderd complexe chips (CPU's) gemaakt worden.

Men zal pas overstappen naar een ander procede als het proces goedkoper en beter is. Op dit moment lachen ze je uit als je zegt dat 99% van je depositie laag goed genoeg is.

[Durandal]

Zo duurt het coaten nu 26 uur bij een temperatuur van 550 graden Celcius.

Vraag me af hoe dat werkt. Als je nu een transistor boven de 150 graden brengt is 'ie dood.

[_l_Arjan_l_]

De terminals van een transistor zijn tijdens fabricage niet voorzien van spanning. De maximale temperatuur wordt dan bepaald door de gebruikte materialen.

[Sissors]

Van de schakelingen die de onderzoekers daarmee maakten, werkte 99 procent.

Dat klinkt mooi, maar wat is een schakeling dan? (Als in, hoe groot/complex). Uit het bronartikel:

With the use of these films we successfully demonstrate the wafer-scale batch fabrication of high-performance monolayer MoS2 field-effect transistors with a 99% device yield

Ah, 99% van de devices werkt. Dat betekend dat yield van zelfs kleinste 'echte' ICs (oftewel ik sluit een HC74 buffer even uit, die heeft hier ook niks bij te winnen), 0% is.

Uiteraard, dit is onderzoek, veelbelovend, zal verder aan gewerkt worden, etc. Niks mis mee dat ze nu nog geen (nagenoeg) 100% yield halen. Maar het lijkt me wel handig om de 99% in het juiste perspectief te zetten.

[BRAINLESS01]

Ik kan mij vergissen, maar volgens mij werkt het andersom. Als ik het goed lees, betekent een yield van 99% dat van de chips die er mee geproduceerd worden 99% goed is (dus niet 0%). Dat is natuurlijk super netjes en amper meer te verbeteren, maar als ze een nieuwe techniek bedacht hadden die 1% werkende chips tot gevolg heeft dan hadden we er waarschijnlijk niets over gelezen

[Verwijderd]

Uit het artikel op nature.com: http://www.nature.com/nat...549/full/nature14417.html

Leid ik dat ook af (quote uit artikel)

"With the use of these films we successfully demonstrate the wafer-scale batch fabrication of high-performance monolayer MoS2 field-effect transistors with a 99% device yield and the ..."

[Sissors]

Device yield zal normaal gesproken, en waar ik maar vanuit ga zonder toegang tot complete artikel, de yield per mosfet device bedoelt worden.

Een ARM m0, de kleinste ARM processor die je enkel voor hele simpele zaken kan gebruiken, en absoluut niet voor bijvoorbeeld een smartphone, heeft al zo'n 30k transistoren in zijn core. En daar komt alle dingen als geheugen, peripherals, etc nog bij. Met 99% device yield is de kans dat je een correct werkend device krijgt 1E-131. Oftewel nul.

99% device yield is dus een leuk begin, maar nog ordes verwijderd van wat je nodig hebt.

[Verwijderd]

Als je het over een device hebt, heb je het over al die transistoren samen die een device maken. Dus 99% is een vrij goede yield.

[Verwijderd]

Ligt er dus aan of het yield per transistor of per device is.
Met 1e6 transistors op een device wordt de yield in het eerste geval 0.99^1e6.....

[DirtyBird]

Die berekening klopt niet helemaal denk ik. Want dat betekent dat hoe meer transistoren er op een device zitten, hoe kleiner de kans dat deze goed werkt terwijl het juist andersom is meer transistoren betekent dat een grotere hoeveelheid (percentage blijft gelijk) werkt en dus je device betrouwbaarder is.

[kzin]

Volgens mij is het wel zo dat: stel ik heb een chip met 100 transistoren, en om de chip te laten werken moeten alle 100 transistoren goed werken. Als elke transistor een kans heeft van 99% dat hij goed is, heeft mijn chip slechts een kleine kans van slagen.

Als je afzonderlijke componenten maakt (transistoren, diodes) en geen chip heb je wel gelijk.

[DirtyBird]

Betekent dat dat een processor faalt zodra er 1 transistor kapot gaat? Of zit daar een failsafe in?

[supersnathan94]

In feite wel. Daarom zijn de productie procédés van CPU's zo immens geavanceerd. De yields in dergelijke productie faciliteiten overschrijden de 99% dan ook makkelijk zelfs met een yield van 99,999% is de kans dat een CPU werkt namelijk nog steeds erg klein. Zeker als je het hebt over high-end CPU's.

Kijk maar eens naar de Phenom X3's dat zijn in feite gewoon X4's waarvan de 4e core niet naar behoren werkt. Het is immers goedkoper om deze dan als X3 te verkopen dan om ze weg te gooien. Je kan dus de falende transistoren niet gebruiken. Dit gebeurd met videokaarten ook.

[Jaco69]

Die transistor zit er niet voor niets in. Dus inderdaad.
Soms kan het gedeelte waar die transistor inzit (een cpu core bijvoorbeeld) uitgeschakeld worden zodat de chip toch nog verkocht kan worden (met een core minder).

[0rbit]

Er hoeft in een chip maar 1 transistor niet te werken en je kunt de chip niet gebruiken. Zo simpel is het.

Een transistor yield van 99% is leuk voor een eerte trial, maar is te laag voor devices van meer dan pak hem een paar honderd transistoren.

Ga je er echte chips mee maken, vergelijkbaar met huidige chips, dan zul je geen werkende chip produceren met het huidige procede.

[Luuk.vanRiel]

Laatst ook iets gelezen over hoe het yield systeem werkt. Doordat het productie proces nog steeds imperfect is zijn er altijd chips waar een deel niet goed werkt. Dit wordt dan vaak uitgeschakeld waardoor de chips in een goedkoper segment verkocht worden. Daarom is de gtx 970 in techniek hetzelfde als de 980 maar door imperfecties wordt hij gedeeltelijk uitgeschakeld en zo goedkoper verkocht.

[Sissors]

Voor high end GPUs/CPUs is dat inderdaad waar. Maar daar is dat nodig omdat die heel veel componenten bevatten, en dus grotere kans op uitval. Kleinere devices doen daar niet aan.

[Verwijderd]

eigenlijk geen goed nieuws
dit houd de technologie en nieuwe ontwikkelingen naar andere computers tegen

[Boogerschmidt]

Kun je uitleggen waarom het dat tegenhoudt en waarom dat geen goed nieuws is?

[Verwijderd]

Ik gok dat hij doelt op technieken zoals Quantum Processors. Echter zijn we daar nog flink wat jaartjes vanaf, en kunnen we in de tussentijd moeilijk stilstaan.

Het is natuurlijk niet zo dat wanneer we onderzoeken doen zoals in het artikel, dat dit de ontwikkeling remt van overige technieken. Ieder heeft zijn eigen team.

Net zoals dat het maken van een enkele Simpsons aflevering 6 maanden duurt. Er werken meerdere teams naast elkaar om ieder jaar een heel seizoen te verwerken.

Daar zal de denkfout zitten gokken. Dat het geld wat wordt gestoken in dit soort ondezoeken, ook in andere onderzoeken zou kunnen worden gestoken. Helaas werkt de wereld niet zo. Het is ook nog maar de vraag of we Quantum Processors bijvoorbeeld ooit voldoende werkend krijgen. Er zijn immers nogal wat problemen te overbruggen.

[bosbeetle]

De grap is ook nog eens dat quantum computers in de meeste taken niet sneller zullen zijn dan normale compuers. Alleen voor speciale specifieke taken kunnen hele snelle quantum agoritmes gemaakt worden.

[supersnathan94]

met name crypto algoritme's hebben baat bij QC. Daarin zullen dergelijke systemen heer en meester zijn. Voor dagelijkse toepassingen zoals office en wegspul echter niet. Dan is een normale Dualcore nog steeds sneller en veel kostefficiënter.

[bart1133]

Dat vraag ik mij nu ook wel af...

[soepah]

dit houd het niet tegen, dit zorgt dat de ontwikkeling doorgaat. doordat schakelingen kleiner kunnen worden kunnen nieuwe toepassingen en producten bedacht worden waarvoor weer andere producten nodig zijn.
Doordat de verkleining al jaren bezig is is het nu mogelijk om bv een smartphone in je broekzak te hebben waarbij je ca 50 jaar terug voor diezelfde functionaliteit nog een flatgebouw aan apparatuur nodig had (bij benadering )