lunduniversity.lu.se

Electrical and Information Technology

Faculty of Engineering, LTH

Denna sida på svenska This page in English

Ny materialmix i nanotrådarna ger bättre transistorer

2021-09-14

Halvledarindustrin drivs framåt av förbättringar av digitala processorer där transistorn har varit den fundamentala komponenten. Under den senaste tiden har området breddats mot komponenter som är speciellt designade för att vara effektiva inom områden som Artificiell Intelligens, 5G-nätverk eller Sakernas Internet. Adam Jönssons forskning är kopplad till den utvecklingen. De varianter av III-V material, alltså kombinationer av grundämnen från tredje och femte kolumnen i periodiska systemet, har bättre transportegenskaper av elektroner jämfört med industristandarden kisel. 

Fredag den 17 September kl 9.00 lägger Adam Jönsson fram sin avhandling ”Vertical Heterostructure III-V MOSFETs for CMOS RF and Memory Applications” på LTH.

¬Till grund för Adam Jönssons forskningen ligger den långa erfarenheten i Lund av nanotrådar av så kallade III-V material, alltså material som man skapar genom att mixa grundämnen i periodiska systemets kolumn tre med ämnen i kolumn fem.

- Vi försöker använda oss av både nya material och ny fysisk design av transistorer och anpassa dem för till exempel digitala beräkningar, analoga högfrekvensförstärkare och minnesmatriser, säger Adam Jönsson.

Kommersiella tillämpningar av III-V-material är till exempel radiobaserad kommunikation med höga frekvenser såsom mm-vågor(mmwave) (>60 GHz). 

- Vi vill kombinera högfrekvensförstärkare och digital logik. Vi försöker skapa en plattform för att tillverka komplementära kretsar. Det vill säga kretsar som är optimerade för att transportera både elektroner och elektronhål** - och att göra detta helt och hållet i III-V-material. På så sätt går det enkelt att integrera digital logik med de bästa högfrekvensförstärkarna för snabb och smart signalbehandling.

Ett annat område som Adam arbetat med är att ta fram en metod för att tillverka en nanotrådsbaserad selektor som nu kan kombineras med en s k memoristor, som forskargruppen arbetat med sedan tidigare.

– Detta är en ny komponent. Genom att kombinera en klassisk transistor och en minnescell, s k memoristor, räknar vi med att kunna sänka energiförbrukningen för till exempel maskininlärning. Och tack vare den nya 3D-designen kan vi också få in väldigt många minnesceller på en liten chip-yta. 

Högfrekvensförstärkare för 5G-kommunikation har alltid problem med resistans och framför allt oönskad kapacitans. För att få bukt med problemen har Adam utvecklat olika typer av lager som separerar transistorernas närliggande kontakter. 

– Vanligtvis fokuserar de som utvecklar transistorer på materialegenskaperna i kanal och kontakter. Men jag har i stället fokuserat på att utveckla kvaliteten på de diverse tunna skikt som ligger mellan kanal och kontakter.

Framställning av transistor. (a) Nanotråd efter växt i MOCVD-kammare. (b) Applicerad topp-metall samt etsad kanal. (b) Slutgiltig transistor med tre elektroder; Source, Gate och Drain.  

Varför doktorera – och i Lund?

– Jag sökte möjligheter lokalt i Lund och började studera teknisk fysik.  Där blev jag mer och mer motiverad med åren och att få en doktorandtjänst blev som ett kvitto på att jag faktiskt gjort bra ifrån mig. När jag fick träffade Lars-Erik [Wernersson] och fick höra hur framgångsrika hans tidigare studenter varit, blev det ännu mer självklarhet att fullfölja som doktorand. Även blandningen av labbarbete och teoretiskt arbete lockade.  

Tävlar mot jättar

Adam berättar att det blir alltmer kostsamt både att forska fram och tillverka elektronikkomponenter som transistorer i nanoskala har blivit dyrare och dyrare. Och det har i sin tur medfört att mycket av kommersiell tillverkning har konsoliderats till ett fåtal aktörer som verkar på en global nivå.

– Det är alltså endast ett fåtal tillverkare i världen som till exempel Samsung, Intel och Globalfoundries som framställer i stort sett alla komponenter. Och i det sammanhanget är jag är stolt över att vi i Lund kan tävla mot dessa jättar, och faktiskt överträffa dem när det gäller vissa mått av prestanda.   

Vad händer med dina forskningsresultat?

– Jag brukar säga att forskning är lyckad om resultatet används. Jag har försökt skriva min avhandling så att andra som doktorerar inom liknande ämne kan bli inspirerade och fortsätta arbetet i samma anda. När det gäller kommersialisering är puckeln lite större. Men det är möjligt att teknologin kan hamna i processorer eller högfrekvensförstärkare om tio år eller så. För minneskretsar sker det redan idag mycket kommersialisering i form av Static Random-Access-Memory (SRAM).  

----

* Indium-Gallium-Arsenik, Gallium-Antimonid och Indium-Arsenik

** Elektronhål: Kvasipartikel med massa, laddning, rörelsemängd, spinn och energi. Läs mer på wikiwedia.org

fileadmin/DigitaLTH/NewsPhoto/2021-09-17_Adam_Jo__nsson.jpg