Team dell’Università di Pechino realizza Transistor 2D 40% più veloce rispetto al miglior silicio

Un team di ricercatori dell’Università di Pechino sostiene di aver fatto un passo avanti nella tecnologia dei chip, potenzialmente in grado di ridisegnare la corsa ai semiconduttori.

Il transistor 2D cinese di nuova concezione sarebbe più veloce del 40% rispetto ai più recenti chip in silicio a 3 nanometri di Intel e TSMC e consumerebbe il 10% in meno di energia. Questa innovazione, dicono, potrebbe consentire alla Cina di aggirare completamente le sfide della produzione di chip basati sul silicio.

“Si tratta del transistor più veloce ed efficiente di sempre”, si legge in una dichiarazione ufficiale pubblicata la scorsa settimana sul sito web della PKU.

Guidato dal professore di chimica fisica Peng Hailin, il team di ricerca ritiene che il suo approccio rappresenti un cambiamento fondamentale nella tecnologia dei semiconduttori.

“Se le innovazioni dei chip basate sui materiali esistenti sono considerate una ‘scorciatoia’, allora il nostro sviluppo di transistor basati su materiali 2D è simile a un ‘cambio di corsia’”, ha detto Peng nella dichiarazione.

Superare le barriere dei semiconduttori

La scoperta del team cinese riguarda un transistor a base di bismuto che supera i chip commerciali più avanzati di Intel, TSMC, Samsung e del Centro interuniversitario di microelettronica del Belgio.

A differenza dei transistor tradizionali basati sul silicio, che hanno problemi di miniaturizzazione e di efficienza energetica su scale estremamente ridotte, questo nuovo progetto offre una soluzione senza questi vincoli.

Semiconduttore dal lavoro del professor Peng Heilin

Secondo Peng, le sanzioni imposte dagli Stati Uniti hanno limitato l’accesso della Cina ai transistor più avanzati basati sul silicio, ma le limitazioni hanno anche spinto i ricercatori cinesi a esplorare soluzioni alternative.

“Se da un lato questo percorso è nato per necessità a causa delle attuali sanzioni, dall’altro costringe i ricercatori a trovare soluzioni da nuove prospettive”, ha aggiunto.
Lo studio descrive come il team abbia sviluppato un transistor a effetto di campo “gate-all-around” (GAAFET) utilizzando materiali a base di bismuto. Questo progetto rappresenta una svolta significativa rispetto alla struttura Fin Field-Effect Transistor (FinFET), che è stata lo standard del settore da quando Intel l’ha commercializzata nel 2011.

Una nuova era per la tecnologia dei chip

I limiti dei chip basati sul silicio sono diventati sempre più evidenti man mano che l’industria cerca di spingere la densità di integrazione oltre i 3 nanometri. La nuova struttura GAAFET elimina la necessità della “pinna” utilizzata nei progetti FinFET, aumentando l’area di contatto tra il gate e il canale.

I ricercatori hanno paragonato questo cambiamento alla sostituzione di edifici alti con ponti collegati, rendendo più facile il movimento degli elettroni, come riportato dal South China Morning Post.

Per ottimizzare ulteriormente le prestazioni, i ricercatori si sono rivolti ai materiali semiconduttori 2D. Questi materiali hanno uno spessore atomico uniforme e una mobilità più elevata rispetto al silicio, il che li rende una valida alternativa per i chip di prossima generazione. Tuttavia, i precedenti tentativi di utilizzare materiali 2D nei transistor hanno dovuto affrontare sfide strutturali che ne hanno limitato l’efficacia.

Il team del PKU ha superato questi ostacoli ingegnerizzando i propri materiali a base di bismuto, in particolare Bi2O2Se e Bi2SeO5, che fungono rispettivamente da semiconduttore e da ossido altamente dielettrico. L’elevata costante dielettrica di questi materiali riduce la perdita di energia, minimizza i requisiti di tensione e aumenta la potenza di calcolo riducendo il consumo energetico.

I ricercatori hanno fabbricato i transistor sperimentali utilizzando la piattaforma di elaborazione ad alta precisione della PKU.

I risultati sono stati convalidati utilizzando i calcoli della teoria funzionale della densità (DFT), che hanno confermato che l’interfaccia del materiale Bi2O2Se/Bi2SeO5 presenta meno difetti e un flusso di elettroni più fluido rispetto alle interfacce semiconduttore-ossido esistenti.

“Questo riduce la dispersione degli elettroni e la perdita di corrente, consentendo agli elettroni di fluire quasi senza resistenza, come l’acqua che si muove in un tubo liscio”, ha spiegato Peng.

Con transistor basati su questa tecnologia in grado di funzionare 1,4 volte più velocemente dei chip più avanzati basati sul silicio, con un consumo energetico pari al 90%, il team della PKU sta ora lavorando per scalare la produzione. Hanno già costruito piccole unità logiche utilizzando i nuovi transistor, dimostrando un elevato guadagno di tensione a tensioni operative ultra-basse.