Transistor InGaAs, l'alternativa al silicio per i processori del futuro?

Il silicio è il materiale usato da decenni per realizzare i transistor alla base dei chip dei nostri computer. La necessità di aumentare costantemente le prestazioni mantenendo i consumi ridotti passa dalla continua miniaturizzazione dei transistor. Il problema è che, come qualsiasi materiale, il silicio ha dei limiti fisici oltre cui le prestazioni dei transistor si degradano a tal punto da renderli inservibili al loro scopo, ossia agire come un interruttore.

Che cosa fare quindi? Secondo i ricercatori del MIT, la risposta ai problemi che il silicio evidenzierà prima o poi è una lega chiamata InGaAs (indium gallium arsenide, arseniuro di indio gallio). Di questa opzione si parla da tempo, ma finora i ricercatori pensavano che le prestazioni di trasporto degli elettroni dei transistor InGaAs si deteriorassero con la miniaturizzazione su scala nanometrica, che è proprio ciò che serve per la realizzazione di chip sempre più veloci in uno spazio contenuto. Un nuovo studio del MIT ha dimostrato che questo apparente deterioramento non è una proprietà intrinseca del materiale e quindi è un problema superabile.

I ricercatori hanno scoperto che i problemi prestazionali dei transistor InGaAs a dimensioni nanometriche sono legati in parte a un fenomeno chiamato "oxide trapping" che blocca il flusso degli elettroni lungo il transistor. "Un transistor dovrebbe funzionare come un interruttore. Quello che si desidera è poter accendere una tensione e avere molta corrente", ha spiegato Xiaowei Cai, principale autrice dello studio. "Se però hai degli elettroni bloccati, quello che succede è che accendi una tensione, ma hai solo una quantità molto limitata di corrente nel canale. Quindi la capacità di commutazione è molto inferiore quando si verifica il fenomeno".

Il problema è stato individuato studiando la dipendenza dalla frequenza del transistor, ossia la velocità con cui gli impulsi elettrici vengono inviati attraverso il transistor. Alle basse frequenze, le prestazioni dei transistor InGaAs su scala nanometrica apparivano degradate, ma a frequenze di 1 GHz o maggiori, non lo erano. "Quando usiamo questi dispositivi ad altissima frequenza, abbiamo notato che le prestazioni sono davvero buone, competitive con il silicio", ha aggiunto Cai.

Gli elettroni sono in grado di attraversare l'arseniuro di indio gallio con facilità, anche a bassa tensione. Il materiale è "noto per avere grandi proprietà di trasporto [degli elettroni]", ha spiegato la ricercatrice. I transistor InGaAs sono in grado di processare i segnali rapidamente, permettendo un'elaborazione dei dati più veloce, e possono funzionare a una tensione relativamente contenuta, migliorando di conseguenza l'efficienza energetica.

Gli studiosi del MIT sperano che scoperta incoraggi aziende e ricercatori a continuare gli studi su questo materiale. Il lavoro mostra che "il problema da risolvere non è il transistor InGaAs stesso", ma il fenomeno che interrompe il flusso degli elettroni, e come tale può essere risolto o aggirato. Secondo Cai, la lega InGaAs mostra risultati promettenti sia nelle applicazioni di calcolo tradizionali che quantistiche.