Германий может заменить кремний в транзисторах и вывести их на новый уровень

в 21:14, , рубрики: германий, Железо, Производство и разработка электроники, транзисторы

image
В качестве демонстрации работоспособности концепции автор с командой создали подложки из германия на изоляторе, для создания инвертеров, содержащих сначала планарные транзисторы, а затем и FinFET-транзисторы

Почти 70 лет назад два физика из Телефонной лаборатории Белла – Джон Бардин и Уолтер Брэттейн [John Bardeen and Walter Brattain] – впрессовали два тонких золотых контакта в пластину из германия, и сделали третий контакт снизу пластины. Ток, проходивший через эту конструкцию, можно было использовать для превращения слабого сигнала в сильный. В результате появился первый транзистор – усилитель и переключатель, который, возможно, стал величайшим изобретением 20-го века. Благодаря закону Мура, транзистор развил компьютеры далеко за пределы того, что казалось возможным в 1950-е.

Несмотря на звёздную роль германия в ранней истории транзисторов, его вскоре заменили кремнием. Но сейчас, что удивительно, этот материал готов вернуться. Лидеры в производстве чипов раздумывают над заменой компонентов в самом сердце транзистора – токопроводящем канале. Идея в том, чтобы заменить кремний материалом, способным лучше проводить ток. Создание транзисторов с такими каналами может помочь инженерам продолжать улучшать показатели контуров по скорости и энергоэффективности, что будет означать появление улучшенных компьютеров, смартфонов, и множества других гаджетов в последующие годы.

Долгое время интерес к альтернативным каналам вращался вокруг соединений AIIIBV, таких, как арсенид галлия, состоящих из атомов, находящихся слева и справа от кремния в таблице Менделеева. И я участвовал в том исследовании. Восемь лет назад я написал статью для этого журнала, обозначив прогресс, сделанный в построении транзисторов на таких соединениях.

Германий может заменить кремний в транзисторах и вывести их на новый уровень - 2
Два транзистора в инвертере на основе FinFET содержат плавниковые каналы, выделяющиеся из плоскости подложки (вверху – розовые каналы, внизу – скошенный вид на ещё один набор). Расстояния между «плавниками» вверху – десятки нанометров.

Но в результате мы обнаружили, что у подхода с AIIIBV существуют фундаментальные физические ограничения. А также он, скорее всего, был бы слишком дорогим и сложным для интеграции с существующей кремниевой технологией. Так что несколько лет назад моя команда в Университете Пердью начала эксперименты с другим устройством: с транзистором, канал которого выполнен из германия. С тех пор мы продемонстрировали первые контуры КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) [CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor]. Примерно та же логика, что находится внутри современных компьютеров, только изготовленная из германия, выращенного на обычных кремниевых подложках. Мы также создали ряд различных транзисторных архитектур из этого материала. В них входят устройства из нанопроволоки, которые могут стать следующим шагом производства, когда сегодняшние лучшие транзисторы, FinFET, уже нельзя будет дальше уменьшать.

И что ещё интереснее, оказывается, что возвращать германий в работу не так сложно, как это кажется. Транзисторы, использующие комбинацию кремния и германия в канале, уже можно найти в новых чипах, и они впервые появились в 2015 году, в демонстрации будущих технологий изготовления чипов от IBM. Эти разработки могут стать первым шагом индустрии, стремящейся внедрять всё большие доли германия в каналы. Через несколько лет мы можем столкнуться с тем, что материал, подаривший нам транзисторы, помог перенести их в следующую эпоху выдающегося быстродействия.

Германий впервые изолировал и открыл немецкий химик Клеменс Уинклер в конце XIX века. Материал был назван в честь родины учёного, и всегда считался плохо проводящим ток. Это изменилось во время Второй Мировой войны, когда были открыты полупроводниковые свойства германия – то есть, возможность переключения между проведением и блокированием тока. В послевоенные годы быстро развивались полупроводниковые устройства на германии. В США производство, отвечая на запросы рынка, возросло от нескольких сотен фунтов в 1946 до 45 тонн к 1960-му году. Но кремний выиграл; он стал популярным материалом для микросхем логики и памяти.

И для доминирования кремния есть веские причины. Во-первых, его больше, и он дешевле. У кремния более широкая запрещённая зона, энергетический барьер, который нужно преодолеть для создания проводимости. Чем больше эта зона, тем сложнее току просочиться через устройство в ненужный момент и зря потратить энергию. В качестве бонуса у кремния и температурная проводимость была лучше, что позволяло легче отводить тепло, чтобы контуры не перегревались.

Учитывая все преимущества, естественно заинтересоваться – зачем бы нам вообще раздумывать над возвращением германия в канал. Ответ – мобильность. Электроны в германии при комнатной температуре двигаются почти в три раза охотнее, чем в кремнии. А дырки – отсутствие электрона в материале, рассматриваемое, как положительный заряд – двигаются почти в четыре раза охотнее.

Германий может заменить кремний в транзисторах и вывести их на новый уровень - 3
Девятиступенчатый кольцевой КМОП-осциллятор, представленный в 2015 году

То, что в германии электроны и дырки такие мобильные, делает его удобным кандидатом для КМОП-контуров. КМОП сочетает два разных типа транзисторов: p-канальные FET (pFET), канал которых содержит избыток свободных дырок, и n-канальные FET (nFET), у которых есть избыток электронов. Чем быстрее они двигаются, тем быстрее работают контуры. А уменьшение напряжения, требуемого для их передвижения, означает и уменьшение энергопотребления.

Конечно, германий – не единственный материал с такой мобильностью частиц. Упомянутые ранее составы AIIIBV, материалы, такие, как арсенид индия и арсенид галлия, также могут похвастаться высокой подвижностью электронов. Электроны в арсениде индия почти в 30 раз подвижнее, чем в кремнии. Но проблема в том, что это свойство не распространяется на дырки – они не сильно подвижнее тех, что есть в кремнии. И это ограничение приводит к невозможности создания высокоскоростных pFET, а отсутствие скоростных pFET сводит на нет получение быстрых КМОП-контуров, поскольку они не могут работать с очень большой разницей в скоростях работы nFETs и pFETs.

Один из вариантов решения – взять от каждого материала лучшее. Исследователи во многих лабораториях, например, Европейской организации по исследованию полупроводников Imec и Цюрихской лаборатории IBM, показали способы создания контуров, у которых каналы nFET сделаны из составов AIIIBV, а pFET – из германия. И хотя эта технология может позволить создавать очень быстрые контуры, она сильно усложняет производство.

Поэтому нам больше нравится простой подход с германием. Германиевые каналы должны увеличить быстродействие, а проблемы производства будут не такими серьёзными.

Как дела у германия

Свойство Кремний (Si) Германий (Ge) Арсенид галлия (GaAs) Арсенид индия (InAs) Единицы
Запрещённая зона 1.12 0.66 1.42 0.35 eV
Подвижность электронов при 300 К 1,350 3,900 8,500 40,000 cm2/(V·s)
Подвижность дырок при 300 K 450 1,900 400 500 cm2/(V·s)
Максимальная возможная скорость электронов 1 0.6 2 3.5 x107 cm/s
Критическое электрическое поле 0.25 0.1 0.004 0.002 x106 V/cm
Температурная проводимость 1.5 0.58 0.5 0.27 W/(cm·K)

Чтобы германий – или любой альтернативный материал – попал в производство, необходимо найти способ добавления его на кремниевые подложки, используемые в настоящее время для изготовления чипов. К счастью, существует множество способов нанести на кремниевую подложку германиевый слой, из которого потом можно сделать каналы. Использование тонкого слоя устраняет две ключевые проблемы германия – высокая по сравнению с кремнием стоимость, и относительно плохая теплопроводность.

Но чтобы заменить кремний в транзисторе, недостаточно просто впихнуть тонкий и высококачественный слой из германия. Канал должен безупречно работать с другими компонентами транзистора.

В вездесущих современных КМОП-чипах используются транзисторы на основе МОП (металл-оксид-полупроводник – МОП-транзистор; metal-oxide-semiconductor field effect transistor — MOSFET). У него есть четыре базовых части. Эмиттер и коллектор – исходная и конечная точка перемещения тока; канал, соединяющий их; затвор, служащий клапаном, контролирующим наличие тока в канале.

В реальности в качественном транзисторе присутствуют и другие ингредиенты. Один из самых важных – изолятор затвора, предотвращающий короткое замыкание затвора и канала. Атомы в полупроводниках, таких, как кремний, германий и составы AIIIBV, расположены в трёх измерениях. Идеально плоскую поверхность изготовить нельзя, поэтому у атомов, находящихся вверху канала, будет несколько выпирающих связей. Вам необходимо изолятор, связывающий как можно больше этих связей, и этот процесс называется пассивацией, или поверхностной протравкой. В случае некачественного изготовления можно получить канал с «электрическими выбоинами», полный таких мест, где переносчики заряда могут временно задерживаться, что понижает их подвижность и, в результате, скорость работы устройства.

Германий может заменить кремний в транзисторах и вывести их на новый уровень - 4
Слева: nFET из составов AIIIBV, и pFET из германия, кусочки обеих материалов выращены на кремниевой подложке с изоляцией.
Справа: оба транзистора выполнены из германия, связанного с подложкой.

К счастью, природа снабдила кремний естественным изолятором, хорошо совпадающим с его кристаллической структурой: диоксидом кремния (SiO2). И хотя в современных транзисторах встречаются более экзотические изоляторы, в них всё равно есть тонкий слой этого оксида, служащий для пассивации кремниевого канала. Поскольку кремний и SiO2 близки по структуре, хорошо изготовленный слой SiO2 связывает 99 999 из 100 000 свободных связей – а на квадратном сантиметре кремния их содержится примерно столько.

Арсенид галлия и другие составы AIIIBV не обладают естественным оксидами, а у германия он есть – поэтому, в теории, у него должен быть идеальный материал для пассивации канала. Проблема в том, что диоксид германия (GeO2) слабее, чем SiO2, и может поглощаться и растворяться водой, используемой для очистки подложек во время изготовления чипов. Что ещё хуже, процесс роста GeO2 сложно контролировать. Для идеального устройства требуется слой GeO2 в 1-2 нм толщиной, но в реальности сложнее сделать слой тоньше 20 нм.

Исследователи изучали разные альтернативы. Профессор из Стэнфорда, Кришна Сарасват [Krishna Saraswat], и его коллеги, подстегнувшие интерес к использованию германия в качестве альтернативного материала ещё в 2000-х, сначала изучали диоксид циркония, материал с высокой диэлектрической проницаемостью того типа, что используется сегодня в высокоскоростных транзисторах. На основе их работы группа из Imec в Бельгии изучили, что можно сделать со сверхтонким слоем кремния для улучшения интерфейса между германием и подобными материалами.

Но пассивация германия была серьёзно усовершенствована в 2011 году, когда команда профессора Шиничи Такаги [Shinichi Takagi] из Токийского университета продемонстрировала способ контроля роста германиевого изолятора. Сначала исследователи вырастили нанометровый слой ещё одного изолятора, оксида алюминия, на германиевом канале. После этого их разместили в кислородной камере. Часть кислорода прошла через слой оксида алюминия к находящемуся внизу германию, и смешалась с ним, сформировав тонкий слой оксида (соединение германия с кислородом, но технически не GeO2). Оксид алюминия не только помогает контролировать рост, но и служит защитным покрытием для менее стабильного слоя.

Германий может заменить кремний в транзисторах и вывести их на новый уровень - 5
Нанопроводные каналы

Несколько лет назад, вдохновившись этим открытием и учитывая сложности создания pFET с каналами из AIIIBV, моя группа в Пердью начала исследовать способы создания транзисторов на германиевых каналах. Мы начали с использования подложек с германием на изоляторе, разработанных французским производителем Soitec. Это стандартные кремниевые подложки с изолирующим слоем, находящимся под 100 нм слоем германия.

С этими подложками можно создавать транзисторы, у которых все стандартные части – эмиттер, канал и коллектор – сделаны из германия. Производителю транзисторов не обязательно следовать такой конструкции, но нам так было проще изучать основные свойства германиевых устройств.

Одним из первых препятствий стала борьба с сопротивлением между эмиттером и коллектором транзистора и металлическими электродами, соединяющими их с внешним миром. Сопротивление возникает из-за естественного электронного барьера Шоттки, появляющегося в месте контакта металла и полупроводника. Кремниевые транзисторы без устали оптимизировали для минимизации этого барьера, так, чтобы переносчикам заряда было легко его преодолевать. Но в германиевом устройстве требуются хитрые инженерные решения. Благодаря нюансам электронной структуры дырки легко перемещаются из металла в германий, а вот электроны – не очень. Это значит, что у nFET, полагающихся на передвижения электронов, будет очень большое сопротивление, потери тепла и тока.

Стандартный способ сделать барьер тоньше – добавить больше легирующей примеси к эмиттеру и коллектору. Физика процесса сложна, но представить её можно так: больше атомов примеси привносят больше свободных зарядов. При изобилии свободных переносчиков заряда электрическое взаимодействие между металлическими электродами и полупроводниковыми эмиттером и коллектором усиливается. Это и помогает усиливать туннельный эффект.

К сожалению, с германием такая технология работает хуже, чем с кремнием. Материал не выдерживает больших концентраций легирующих примесей. Но мы можем использовать те места, где плотность примесей максимальна.

Для этого воспользуемся тем, что в современные полупроводники примеси добавляются сверхвысокими электрическими полями, заталкивающими ионы в материал. Некоторые из этих атомов сразу останавливаются, иные же проникают глубже. В результате вы получите нормальное распределение: концентрация атомов примесей на некоторой глубине будет максимальной, а затем при перемещении вглубь или в обратном направлении будет уменьшаться. Если мы заглубим электроды эмиттера и коллектора в полупроводник, мы можем поместить их в места наивысшей концентрации атомов примеси. Это кардинально уменьшает проблему сопротивления контактов.

Германий может заменить кремний в транзисторах и вывести их на новый уровень - 6
Контакты погружаются на глубину максимальной концентрации атомов примесей

Вне зависимости от того, будут ли производители чипов использовать такой подход для уменьшения барьера Шоттки в германии, это полезная демонстрация его возможностей. В начале нашего исследования лучшее, что показывали германиевые nFET, это токи в 100 мкА на каждый мкм ширины. В 2014 году на симпозиуме VLSI Technology and Circuits на Гавайях мы сообщили о германиевых nFET, способных пропускать уже в 10 раз больше тока, что примерно сравнимо с кремнием. Через шесть месяцев мы продемонстрировали первые контуры, содержащие германиевые nFET и pFET, необходимое предварительное условие для изготовления современных логических микросхем.

С тех пор мы использовали германий для постройки более продвинутых транзисторов, таких, как FinFET – современный уровень техники. Мы даже делали нанопроводные транзисторы на германии, которые в ближайшие годы могут заменить FinFET.

Эти разработки потребуются для того, чтобы германий стали использовать в массовом производстве, поскольку с их помощью можно лучше контролировать канал транзистора. Благодаря небольшой запрещённой зоне германия, такой транзистор требует всего четверти энергии, необходимой для переключения в проводящее состояние кремниевого транзистора. Это открывает возможности для низкоэнергетической работы, но это же делает более вероятной и утечку тока в то время, когда он этого делать не должен. Устройство с лучшим контролем над каналом позволит изготовителям использовать малую запрещённую зону без компромиссов с быстродействием.

Мы взяли хороший старт, но у нас ещё есть работа. Например, необходимы дополнительные эксперименты с подложками, которые должны показать транзисторы с высококачественными германиевыми каналами. Также необходимо внести улучшения в дизайн для ускорения.

Конечно, германий – не единственный вариант для транзисторов будущего. Исследователи продолжают изучать составы AIIIBV, которые можно использовать как вместе с германием, так и обособленно. Количество возможных улучшений транзисторов огромно. В этот список входят транзисторы на углеродных нанотрубках, вертикально ориентированные переключатели, трёхмерные контуры, каналы из смеси германия и олова, транзисторы, основанные на принципе квантового туннелирования.

В ближайшие годы, возможно, мы адаптируем какие-то из перечисленных технологий. Но добавление германия – даже в смеси с кремнием – это решение, которое позволит производителям продолжать улучшение транзисторов уже в ближайшем будущем. Германий, изначальный материал эры полупроводников, может стать панацеей её следующего десятилетия.

Автор: SLY_G

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля