يمكن للجرمانيوم استبدال السيليكون في الترانزستورات ونقلها إلى مستوى جديد

لإثبات قابلية تشغيل المفهوم ، قام المؤلف والفريق بإنشاء ركائز من الجرمانيوم على عازل لإنشاء محولات تحتوي على ترانزستورات مستوية أولى ، ثم ترانزستورات FinFET.

منذ 70 عامًا تقريبًا ، فيزيائيان من مختبر بيل للهواتف - جون باردين ووالتر براتين [جون باردين و والتر براتين] - ضغط على جزيئين من الذهب الرقيق في صفيحة الجرمانيوم ، وأجرى اتصالًا ثالثًا من أسفل اللوحة. يمكن استخدام التيار المار عبر هذه البنية لتحويل إشارة ضعيفة إلى إشارة قوية. ونتيجة لذلك ، ظهر أول ترانزستور - مكبر للصوت ومفتاح ، والذي ربما أصبح أكبر اختراع في القرن العشرين. بفضل قانون مور ، طور الترانزستور أجهزة كمبيوتر أبعد بكثير مما بدا ممكنًا في الخمسينيات.

على الرغم من الدور النجمي للجرمانيوم في التاريخ المبكر للترانزستورات ، سرعان ما تم استبداله بالسيليكون. ولكن من المدهش أن هذه المواد جاهزة للعودة. يفكر قادة صناعة الرقائق في استبدال المكونات في قلب الترانزستور ، القناة الموصلة. الفكرة هي استبدال السيليكون بمادة يمكنها توصيل التيار بشكل أفضل. يمكن أن يساعد إنشاء الترانزستورات من خلال هذه القنوات المهندسين على الاستمرار في تحسين أداء الدوائر من أجل السرعة وكفاءة الطاقة ، مما يعني ظهور أجهزة كمبيوتر محسنة وهواتف ذكية والعديد من الأدوات الأخرى في السنوات القادمة.

لفترة طويلة ، كان الاهتمام بالقنوات البديلة يدور حول المركبات A ^III B ^V ، مثل زرنيخيد الغاليوم ، الذي يتكون من ذرات تقع إلى يسار ويمين السليكون في الجدول الدوري. وشاركت في تلك الدراسة. قبل ثماني سنوات ، كتبت مقالًا لهذه المجلة ، تحدد التقدم المحرز في بناء الترانزستورات على مثل هذه الروابط.


يحتوي اثنان من الترانزستورات في العاكس القائم على FinFET على قنوات زعنفة تبرز من مستوى الركيزة (القنوات الوردية في الأعلى وعرض مشطوف لمجموعة أخرى في الأسفل). المسافات بين الزعانف أعلاه هي عشرات النانومتر.

ولكن نتيجة لذلك ، وجدنا أن النهج مع A ^III B ^Vهناك قيود جسدية أساسية. وأيضا ، على الأرجح ، سيكون من المكلف والمعقد للغاية الاندماج مع تكنولوجيا السيليكون الحالية. منذ بضع سنوات ، بدأ فريقي في جامعة بوردو بالتجربة مع جهاز آخر: ترانزستور قناته مصنوعة من ألمانيا. منذ ذلك الحين ، أظهرنا الخطوط العريضة لـ CMOS (أشباه الموصلات المكملة لأكسيد المعادن) [CMOS ، أشباه الموصلات المكملة لأكسيد المعادن]. حول نفس المنطق الموجود داخل أجهزة الكمبيوتر الحديثة ، مصنوع فقط من الجرمانيوم المزروع على ركائز السيليكون العادية. قمنا أيضًا بإنشاء عدد من بنيات الترانزستور المختلفة من هذه المواد. وتشمل هذه الأجهزة الأسلاك النانوية التي يمكن أن تكون خطوة الإنتاج التالية عندما تكون أفضل الترانزستورات اليوم ، FinFET ،لن يكون من الممكن مواصلة التقليل.

والأكثر إثارة للاهتمام هو أنه تبين أن إعادة الجرمانيوم إلى العمل ليست صعبة كما يبدو. يمكن العثور على الترانزستورات التي تستخدم مزيجًا من السيليكون والجرمانيوم في القناة في الرقائق الجديدة ، وقد ظهرت لأول مرة في عام 2015 ، في عرض لتقنيات تصنيع الرقائق المستقبلية من IBM. قد تكون هذه التطورات الخطوة الأولى في صناعة تسعى إلى دمج حصة متزايدة من ألمانيا في القنوات. بعد بضع سنوات ، قد نواجه حقيقة أن المادة التي أعطتنا الترانزستورات ساعدت في نقلها إلى الحقبة التالية من الأداء المتميز.

تم عزل الجرمانيوم لأول مرة واكتشافه من قبل الكيميائي الألماني كليمنس وينكلر في نهاية القرن التاسع عشر. سميت المادة على اسم وطن العالم ، واعتبرت دائمًا تيارًا ضعيفًا. تغير هذا خلال الحرب العالمية الثانية ، عندما تم اكتشاف خصائص أشباه الموصلات من الجرمانيوم - أي القدرة على التبديل بين توصيل التيار وحجبه. في سنوات ما بعد الحرب ، تطورت أجهزة أشباه الموصلات في ألمانيا بسرعة. في الولايات المتحدة ، زاد الإنتاج استجابةً لمتطلبات السوق من بضع مئات من الجنيهات عام 1946 إلى 45 طنًا بحلول عام 1960. لكن السليكون فاز. لقد أصبحت مادة شائعة لرقائق المنطق والذاكرة.

ولهيمنة السليكون ، هناك أسباب جيدة. أولا ، إنها أرخص وأرخص. يحتوي السيليكون على فجوة نطاق أوسع ، حاجز طاقة يجب التغلب عليه لخلق الموصلية. كلما كبرت هذه المنطقة ، زادت صعوبة تسرب التيار عبر الجهاز في لحظة غير ضرورية وتبديد الطاقة. كمكافأة ، كان للسيليكون موصلية حرارية أفضل ، مما سهل إزالة الحرارة بحيث لا ترتفع درجة حرارة الدوائر.

نظرًا لجميع المزايا ، من الطبيعي أن تكون مهتمًا بها - فلماذا نفكر حتى في إعادة ألمانيا إلى القناة. الجواب هو التنقل. تتحرك الإلكترونات في ألمانيا في درجة حرارة الغرفة بسهولة أكبر بثلاث مرات تقريبًا من السيليكون. وتتحرك الثقوب - عدم وجود إلكترون في المادة ، والتي تعتبر شحنة موجبة - تقريبًا أربع مرات أكثر طواعية.


تم تقديم مذبذب CMOS الدائري ذي الخطوات التسع في عام 2015.

حقيقة أن الإلكترونات والثقوب متحركة جدًا في ألمانيا تجعلها مرشحًا مناسبًا لدوائر CMOS. تجمع CMOS بين نوعين مختلفين من الترانزستورات: p-channel FET (pFET) ، تحتوي القناة على فائض من الثقوب الحرة ، و n-channel FET (nFET) ، التي تحتوي على فائض من الإلكترونات. كلما زادت سرعة تحركهم ، زادت سرعة عمل الدوائر. ويعني انخفاض الجهد المطلوب لحركتهم انخفاضًا في استهلاك الطاقة.

بالطبع ، الجرمانيوم ليس المادة الوحيدة التي تتمتع بحركة الجسيمات. المركبات المذكورة سابقا A ^III B ^Vكما تتميز مواد مثل زرنيخ الإنديوم و زرنيخيد الغاليوم بحركة إلكترون عالية. تكون الإلكترونات الموجودة في زرنيخ الإنديوم متحركة أكثر بنحو 30 مرة من السيليكون. لكن المشكلة هي أن هذه الخاصية لا تنطبق على الثقوب - فهي ليست أكثر حركة من تلك الموجودة في السيليكون. وهذا القيد يجعل من المستحيل إنشاء pFETs عالية السرعة ، ونقص pFETs عالية السرعة يبطل استلام دوائر CMOS السريعة ، لأنها لا تستطيع العمل مع فرق كبير جدًا في سرعات nFETs و pFET.

حل واحد هو أن تأخذ الأفضل من كل مادة. أظهر باحثون في العديد من المختبرات ، مثل المنظمة الأوروبية لدراسة أشباه الموصلات إيميك ومختبر زيورخ IBM ،طرق إنشاء حلقات تصنع فيها قنوات nFET من مركبات A ^III B ^V و pFET من ألمانيا. وعلى الرغم من أن هذه التقنية يمكن أن تسمح لك بإنشاء خطوط سريعة جدًا ، إلا أنها تعقد بشكل كبير الإنتاج.

لذلك ، نفضل النهج البسيط مع ألمانيا. يجب أن تزيد قنوات الجرمانيوم من السرعة ، ولن تكون مشاكل الإنتاج خطيرة للغاية.

كيف حالك في ألمانيا

الملكية	سيليكون (Si)	الجرمانيوم (Ge)	Gallium Arsenide (GaAs)	إنديوم أرسينيد (InAs)	الوحدات
منطقة محظورة	1.12	0.66	1.42	0.35	eV
التنقل الإلكتروني عند 300 ك	1،350	3،900	8،500	40،000	سم 2 / (V ثانية)
التنقل حفرة في 300 ك	450	1،900	400	500	سم 2 / (V ثانية)
أقصى سرعة إلكترون ممكنة	1	0.6	2	3.5	X10 7 سم / ث
المجال الكهربائي الحرج	0.25	0.1	0.004	0.002	X10 6 فولت / سم
الموصلية الحرارية	1.5	0.58	0.5	0.27	W / (سم)

لكي يبدأ الجرمانيوم - أو أي مادة بديلة - في الإنتاج ، تحتاج إلى إيجاد طريقة لإضافته إلى ركائز السليكون المستخدمة حاليًا في صناعة الرقائق. لحسن الحظ ، هناك العديد من الطرق لإيداع طبقة الجرمانيوم على ركيزة السليكون ، والتي يمكن بعد ذلك إنشاء القنوات. يزيل استخدام طبقة رقيقة مشكلتين رئيسيتين لألمانيا - التكلفة العالية مقارنة بالسيليكون والتوصيل الحراري الضعيف نسبيًا.

ولكن لاستبدال السليكون في الترانزستور ، لا يكفي فقط دفع طبقة رقيقة وعالية الجودة من الجرمانيوم. يجب أن تعمل القناة بشكل لا تشوبه شائبة مع المكونات الأخرى للترانزستور.

تستخدم شرائح CMOS الحديثة في كل مكان ترانزستورات MOS (ترانزستور MOS وأكسيد أشباه الموصلات - ترانزستور تأثير المجال أشباه الموصلات المعدنية - MOSFET). لديها أربعة أجزاء أساسية. المصدر والاستنزاف - نقطة البداية والنهاية للنزوح الحالي ؛ القناة التي تربطهم ؛ مصراع يعمل كصمام يتحكم في وجود التيار في القناة.

في الواقع ، توجد مكونات أخرى في ترانزستور عالي الجودة. أحد أهمها هو عازل البوابة ، والذي يمنع البوابة والقناة من التقصير. الذرات في أشباه الموصلات مثل السيليكون ، الجرمانيوم والمركبات A ^III B ^Vتقع في ثلاثة أبعاد. لا يمكن صنع سطح مستوٍ بشكل مثالي ، وبالتالي ، سيكون للذرات الموجودة في أعلى القناة العديد من الروابط المنتفخة. تحتاج إلى عازل يربط أكبر عدد ممكن من هذه الروابط ، وتسمى هذه العملية التخميل أو النقش السطحي. في حالة سوء التصنيع ، يمكنك الحصول على قناة بها "فتحات كهربائية" ، مليئة بالأماكن التي يمكن أن تستمر فيها حاملات الشحن مؤقتًا ، مما يقلل من حركتها ، ونتيجة لذلك ، سرعة الجهاز.


اليسار: nFET من التراكيب A ^III B ^V و pFET من ألمانيا ، قطع من كلتا المادتين تزرعان على ركيزة من السيليكون مع عزل.
على اليمين: كلا الترانزستورات مصنوعة من الجرمانيوم إلى جانب الركيزة.

لحسن الحظ ، قامت الطبيعة بتزويد السيليكون بعوازل طبيعية ، والتي تتوافق بشكل جيد مع هيكلها البلوري: ثاني أكسيد السيليكون (SiO ₂ ). وعلى الرغم من وجود عوازل أكثر غرابة في الترانزستورات الحديثة ، إلا أنها لا تزال تحتوي على طبقة رقيقة من هذا الأكسيد ، والتي تعمل على تخريب قناة السليكون. نظرًا لأن السيليكون و SiO ₂ مترابطان في الهيكل ، فإن طبقة SiO ₂ جيدة الصنع تربط 99،999 من أصل 100،000 من السندات الحرة - وهناك حوالي العديد منها على سنتيمتر مربع من السيليكون.

زرنيخيد الغاليوم ومركبات أخرى A ^III B ^Vليس لديهم أكاسيد طبيعية ، لكن ألمانيا تمتلكها - وبالتالي ، من الناحية النظرية ، يجب أن تحتوي على المادة المثالية لتخميل القناة. المشكلة هي أن ثاني أكسيد الجرمانيوم (GeO ₂ ) أضعف من SiO ₂ ويمكن امتصاصه وإذابه بواسطة الماء المستخدم لتنظيف الركائز أثناء تصنيع الرقائق. والأسوأ من ذلك ، من الصعب السيطرة على عملية نمو GeO ₂ . للحصول على جهاز مثالي ، يلزم وجود طبقة GeO ₂ بسماكة 1-2 نانومتر ، ولكن في الواقع من الصعب جعل الطبقة أرق من 20 نانومتر.

يستكشف الباحثون بدائل مختلفة. درس الأستاذ في جامعة ستانفورد ، كريشنا ساراسوات ، وزملاؤه ، الذين حفزوا الاهتمام باستخدام الجرمانيوم كمادة بديلة في 2000s ، لأول مرةزركونيا ، مادة ذات ثابت عازل عالي من النوع المستخدم اليوم في الترانزستورات عالية السرعة. بناءً على عملهم ، قام فريق من Imec في بلجيكا بدراسة ما يمكن عمله بطبقة سيليكون رقيقة جدًا لتحسين الواجهة بين الجرمانيوم والمواد المماثلة.

لكن التحسن في ألمانيا تحسن بشكل كبير في عام 2011 عندما أظهر فريق البروفيسور شينيتشي تاكاجي من جامعة طوكيوطريقة للتحكم في نمو عازل الجرمانيوم. في البداية ، طور الباحثون طبقة نانومتر من عازل آخر ، الألومينا ، على قناة الجرمانيوم. بعد ذلك ، تم وضعهم في غرفة الأكسجين. جزء من الأكسجين يمر عبر طبقة من الألومينا إلى الجرمانيوم أدناه ، ويمزج معها ، مما يشكل طبقة أكسيد رقيقة (مركب من الجرمانيوم بالأكسجين ، ولكن ليس تقنيًا GeO ₂ ). لا يساعد الألومينا على التحكم في النمو فحسب ، بل يعمل أيضًا كطبقة واقية لطبقة أقل استقرارًا.


قنوات Nanowire

قبل بضع سنوات ، مستوحاة من هذا الاكتشاف وبالنظر إلى تعقيد إنشاء pFETs مع قنوات من A ^III B ^V، بدأت مجموعتي في Purdue استكشاف طرق لإنشاء الترانزستورات على قنوات الجرمانيوم. بدأنا باستخدام ركائز الجرمانيوم على عازل طورته الشركة المصنعة الفرنسية Soitec. هذه هي ركائز السيليكون القياسية مع طبقة عازلة تحت طبقة الجرمانيوم 100 نانومتر.

باستخدام هذه الركائز ، يمكنك إنشاء الترانزستورات التي تكون فيها جميع الأجزاء القياسية - المصدر والقناة والصرف - مصنوعة من الجرمانيوم. لا يتعين على الشركة المصنعة للترانزستور اتباع هذا التصميم ، ولكن كان من الأسهل بالنسبة لنا دراسة الخصائص الأساسية لأجهزة الجرمانيوم.

كانت إحدى أولى العقبات هي مكافحة المقاومة بين مصدر وتصريف الترانزستور والأقطاب المعدنية التي تربطهم بالعالم الخارجي. تنشأ المقاومة بسبب حاجز شوتكي الإلكتروني الطبيعي الذي يظهر عند نقطة التلامس بين المعدن وأشباه الموصلات. تم تحسين ترانزستورات السليكون بلا كلل لتقليل هذا الحاجز ، بحيث يمكن لشركات الشحن التغلب عليه بسهولة. لكن جهاز الجرمانيوم يتطلب حلولاً هندسية ماكرة. نظرًا للفروق الدقيقة في البنية الإلكترونية ، تنتقل الثقوب بسهولة من المعدن إلى الجرمانيوم ، لكن الإلكترونات ليست جيدة جدًا. هذا يعني أن nFETs ، بالاعتماد على حركة الإلكترونات ، سيكون لها مقاومة عالية جدًا وحرارة وخسائر في التيار.

الطريقة القياسية لجعل الحاجز أرق هو إضافة المزيد من المنشطات إلى المصدر والتصريف. إن فيزياء العملية معقدة ، ولكن يمكن تمثيلها على النحو التالي: المزيد من ذرات الشوائب تقدم المزيد من الرسوم المجانية. مع وفرة من ناقلات الشحن المجاني ، يتم تحسين التفاعل الكهربائي بين الأقطاب المعدنية ومصدر أشباه الموصلات واستنزافها. هذا يساعد على تعزيز تأثير النفق.

لسوء الحظ ، تعمل هذه التقنية بشكل أسوأ مع الجرمانيوم من السيليكون. لا تتحمل المادة تركيزات كبيرة من المنشطات. ولكن يمكننا استخدام تلك الأماكن التي تكون فيها كثافة الشوائب القصوى.

للقيام بذلك ، نستفيد من حقيقة أن الشوائب تضاف إلى أشباه الموصلات الحديثة عن طريق المجالات الكهربائية فائقة الارتفاع التي تدفع الأيونات إلى المادة. تتوقف بعض هذه الذرات على الفور ، بينما تخترق أخرى أعمق. ونتيجة لذلك ، ستحصل على توزيع طبيعي: سيكون تركيز ذرات الشوائب على عمق معين أقصى ، ثم سينخفض ​​عند التحرك عميقًا أو في الاتجاه المعاكس. إذا قمنا بتعميق أقطاب المصدر واستنزافها في أشباه الموصلات ، فيمكننا وضعها في الأماكن ذات أعلى تركيز من ذرات الشوائب. هذا يقلل بشكل كبير من مشكلة مقاومة التلامس.


الاتصالات مغمورة في عمق أقصى تركيز لذرات النجاسة

بغض النظر عما إذا كان مصنعو الرقائق سيستخدمون هذا النهج لتقليل حاجز شوتكي في ألمانيا ، فإن هذا دليل مفيد على قدراته. في بداية دراستنا ، أفضل ما أظهرته nFETs الجرمانيوم كان تيارات 100 ميكرولتر لكل ميكرومتر من العرض. في عام 2014 ، في ندوة VLSI Technology والدوائر في هاواي ، أبلغنا عن nFETs الجرمانيوم القادرة على إرسال تيار أكثر 10 مرات ، وهو ما يعادل تقريبًا السيليكون. بعد ستة أشهر ، أظهرنا الدوائر الأولى التي تحتوي على الجرمانيوم nFET و pFET ، وهو شرط ضروري لتصنيع رقائق المنطق الحديثة.

منذ ذلك الحين ، استخدمنا الجرمانيوم لبناء ترانزستورات أكثر تقدمًا ، مثل FinFET ، أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا. حتى أننا صنعنا ترانزستورات أسلاك نانوية في ألمانيا ، والتي يمكن أن تحل محل FinFET في السنوات القادمة.

ستكون هذه التطورات مطلوبة من أجل استخدام ألمانيا في الإنتاج الضخم ، لأنه من خلال مساعدتها يمكن التحكم بشكل أفضل في قناة الترانزستور. نظرًا للمنطقة الصغيرة المحظورة من الجرمانيوم ، لا يتطلب مثل هذا الترانزستور سوى ربع الطاقة اللازمة للتبديل إلى حالة توصيل الترانزستور السليكون. هذا يفتح فرصًا للعمل منخفض الطاقة ، ولكنه أيضًا يجعل تسرب التيار في الوقت الذي لا ينبغي فيه القيام بذلك على الأرجح. سيسمح الجهاز ذو التحكم الأفضل بالقناة للمصنعين باستخدام المنطقة المقيدة الصغيرة دون المساومة على السرعة.

لدينا بداية جيدة ، ولكن لا يزال لدينا عمل. على سبيل المثال ، هناك حاجة إلى تجارب إضافية مع الركائز ، والتي يجب أن تظهر الترانزستورات بقنوات الجرمانيوم عالية الجودة. هناك حاجة أيضًا إلى تحسينات التصميم لتسريع.

بالطبع ، الجرمانيوم ليس الخيار الوحيد لترانزستورات المستقبل. يواصل الباحثون دراسة الصيغ A ^III B ^V ، والتي يمكن استخدامها مع الجرمانيوم وبشكل منفصل. عدد التحسينات الممكنة للترانزستور كبير. تتضمن هذه القائمة ترانزستورات الأنابيب النانوية الكربونية ، والمفاتيح الموجهة عموديًا ، والدوائر ثلاثية الأبعاد ، والقنوات من خليط من الجرمانيوم والقصدير ، والترانزستورات بناءً على مبدأ النفق الكمومي.

في السنوات القادمة ، ربما سنقوم بتكييف بعض التقنيات المدرجة. لكن إضافة الجرمانيوم - حتى في خليط مع السيليكون - هو حل سيسمح للمصنعين بمواصلة تحسين الترانزستورات في المستقبل القريب. الجرمانيوم ، المادة الأصلية لعصر أشباه الموصلات ، يمكن أن يكون الدواء الشافي لعقده القادم.

Source: https://habr.com/ru/post/ar399717/