Schneller und stromsparend: CPUs mit 3D-Transistoren

04.10.2002
Der Platz auf dem Chip wird langsam knapp. Immer mehr Transistorfunktionen müssen die Entwickler auf einem kleinen Siliziumplättchen unterbringen. Forscher von Intel haben es nun geschafft, einen Transistor im 3D-Format zu entwickeln.

Dreidimensionale Tri-Gate-Transistoren sind die Alternative zu ihren traditionellen Flat-Planar-Pendants. Forscher der Firma Intel haben dreidimensionale Tri-Gate-Transistoren entwickelt, die leistungsfähiger und stromsparender sind als traditionelle Transistoren mit einer planaren Sperrschicht (Gate). Diese Entwicklung ist ein erster Schritt in eine neue Ära von dreidimensionalen Transistoren. Intel und andere Halbleiterhersteller werden künftig 3D-Transistoren bauen müssen, um das Moorsche Gesetz auch im nächsten Jahrzehnt aufrechtzuerhalten.

Es wird im wahrsten Sinne des Wortes eng

Gordon E. Moore, ein Mitbegründer von Intel, hat in den 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts postuliert, dass sich durch technische Weiterentwicklung alle 18 Monate die Anzahl der Transistoren auf dem Chip verdoppeln würde. Bis heute hat das als Moorsches Gesetz aufgestellte Theorem nichts von seiner Gültigkeit verloren. Doch langsam stoßen die Wissenschaftler in Bereiche vor, in denen es im wahrsten Sinne des Wortes eng wird.

"Unsere Forschung hat ergeben, dass bei Transistor-Kenngrößen unter 30 Nanometer ein traditioneller Transistor mit einer planaren Sperrschicht den Anforderungen an Stromverbrauch und Leistungsfähigkeit nicht entspricht", sagt Dr. Gerald Marcyk, Director des Components Research Lab bei Intel. "Das Tri-Gate-Transistor-Design erlaubt Intel, besonders klei-ne Transistoren zu bauen, die sehr leistungsfähig sind und nur geringe Leckströme aufweisen."

In Mikroprozessoren werden Transistoren als mikroskopisch kleine Schalter aus Silizium eingesetzt, welche die digitalen Zustände "Strom ein" oder "Strom aus" darstellen können und so die elektronische Datenverarbeitung ermöglichen.

Traditionelle Transistoren mit einer planaren Sperrschicht sind in der Halbleiterindustrie seit den 60er-Jahren üblich. Bei künftigen Transistoren mit Kenngrößen unter 30 Nanometer entsteht durch die kleinen Strukturen ein erhöhter Leckstrom. Als Leckstrom wird der Strom bezeichnet, der auch bei offenem Transistor ("Schalter offen") fließt. Schließlich ist Silizium kein Isolator. Dadurch erhöht sich der Energieverbrauch eines Prozessors, was eine nicht mehr tolerierbare Wärmeentwicklung zur Folge hat.

Intels Tri-Gate-Transistor nutzt eine neue dreidimensionale Struktur, ähnlich eines Plateaus mit einer flachen Ebene oben und zwei vertikal steil abfallenden Seiten. Dabei fließen elektrische Signale nicht nur entlang der Ebene, sondern auch entlang den beiden Seiten. Das erlaubt effektiv die Verdreifachung des Stromweges - vergleichbar mit einer einspurigen Straße zu einer dreispurigen Autobahn bei gleicher Fahrgeschwindigkeit. Der elektrische Widerstand ist dadurch außerdem geringer als bei einem herkömmlichen Transistor. Der Tri-GateTransistor ist nicht nur schneller, sondern liefert bis zu 20 Prozent mehr Strom als ein planares Design mit gleicher Gate-Länge.

Der Tri-Gate-Transistor wurde auf einer ultradünnen Lage von vollständig verarmtem Silizium aufgebaut, was die Leckströme reduziert und sehr schnelle Transistoren mit geringem Stromverbrauch ermöglicht. Außerdem besitzt der Tri-Gate-Transistor erhöhte Strukturen für Source und Drain (Quelle und Abfluss, so werden die beiden Anschlußelektroden des Transis-tors bezeichnet) - das reduziert Widerstände, der Strom kann leichter fließen. Dadurch kann der Transistor bei niedrigerer Betriebsspannung arbeiten, was zudem die Verlustleistung weiter verringert. Weiterhin ist das Design schon heute kompatibel zu einem so genannten High-K Gate-Dielectric, einer hoch isolierenden Sperrschicht, welche die Leckströme in Zukunft noch weiter reduzieren soll.

www.intel.com/research/silicon

ComputerPartner-Meinung:

Die Struktur des Tri-Gate-Transistors ist ein viel versprechender Ansatz, künftige Prozessoren noch kleiner und noch effizienter zu machen. Andere Prozessorenhersteller werden sich etwas einfallen lassen müssen, um mit Intels Technologie mithalten zu können. (jh)

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