Germanium kann Silizium in Transistoren ersetzen und auf ein neues Niveau bringen

Um die Funktionsfähigkeit des Konzepts zu demonstrieren, haben der Autor und das Team Substrate aus Germanium auf einem Isolator hergestellt, um Wechselrichter zu erstellen, die zuerst planare Transistoren und dann FinFET-Transistoren enthalten.

Vor fast 70 Jahren haben zwei Physiker des Bell Telephone Laboratory - John Bardin und Walter Brattain [John Bardeen und Walter Brattain] - drückte zwei dünne Goldkontakte in eine Germaniumplatte und machte einen dritten Kontakt von der Unterseite der Platte. Der Strom, der durch diese Struktur fließt, könnte verwendet werden, um ein schwaches Signal in ein starkes Signal umzuwandeln. Infolgedessen erschien der erste Transistor - ein Verstärker und ein Schalter, die vielleicht die größte Erfindung des 20. Jahrhunderts wurden. Dank des Gesetzes von Moore entwickelte der Transistor Computer, die weit über das hinausgingen, was in den 1950er Jahren möglich schien.

Trotz der sternenklaren Rolle von Germanium in der frühen Geschichte der Transistoren wurde es bald durch Silizium ersetzt. Aber jetzt ist dieses Material überraschenderweise bereit, zurückzukehren. Führende Unternehmen in der Chipherstellung erwägen den Austausch von Komponenten im Herzen des Transistors, dem leitenden Kanal. Die Idee ist, Silizium durch ein Material zu ersetzen, das Strom besser leiten kann. Das Erstellen von Transistoren mit diesen Kanälen kann Ingenieuren helfen, die Leistung von Schaltkreisen hinsichtlich Geschwindigkeit und Energieeffizienz weiter zu verbessern, was in den kommenden Jahren das Erscheinen verbesserter Computer, Smartphones und vieler anderer Geräte bedeuten wird.

Das Interesse an alternativen Kanälen drehte sich lange Zeit um Verbindungen A ^III B ^V wie Galliumarsenid, die aus Atomen bestehen, die sich im Periodensystem links und rechts von Silizium befinden. Und ich habe an dieser Studie teilgenommen. Vor acht Jahren schrieb ich einen Artikel für dieses Magazin , in dem ich die Fortschritte beim Bau von Transistoren für solche Verbindungen beschrieb.


Zwei Transistoren im FinFET-basierten Wechselrichter enthalten Finnenkanäle, die sich von der Substratebene abheben (rosa Kanäle oben und eine abgeschrägte Ansicht eines anderen Satzes unten). Die Abstände zwischen den Rippen oben betragen einige zehn Nanometer.

Als Ergebnis fanden wir jedoch, dass der Ansatz mit A ^III B ^V.Es gibt grundlegende physikalische Einschränkungen. Und höchstwahrscheinlich wäre es zu teuer und kompliziert, sich in die vorhandene Siliziumtechnologie zu integrieren. Vor einigen Jahren begann mein Team an der Purdue University mit einem anderen Gerät zu experimentieren: einem Transistor, dessen Kanal aus Deutschland besteht. Seitdem haben wir die ersten Konturen von CMOS (komplementärer Metalloxid-Halbleiter) [CMOS, komplementärer Metalloxid-Halbleiter] demonstriert. Ungefähr die gleiche Logik wie in modernen Computern, die nur aus Germanium hergestellt wird, das auf gewöhnlichen Siliziumsubstraten gezüchtet wurde. Aus diesem Material haben wir auch verschiedene Transistorarchitekturen erstellt. Dazu gehören Nanodrahtvorrichtungen, die der nächste Produktionsschritt sein könnten, wenn die heutigen besten Transistoren, FinFET,Eine weitere Reduzierung ist nicht mehr möglich.

Und noch interessanter ist, dass es nicht so schwierig ist, Germanium wieder zur Arbeit zu bringen, wie es scheint. Transistoren, die eine Kombination aus Silizium und Germanium im Kanal verwenden, sind bereits in den neuen Chips enthalten. Sie wurden erstmals 2015 in einer Demonstration zukünftiger Chipherstellungstechnologien von IBM vorgestellt. Diese Entwicklungen könnten der erste Schritt in einer Branche sein, die einen immer größeren Anteil Deutschlands in Kanäle einbinden will. Nach einigen Jahren können wir feststellen, dass das Material, das uns die Transistoren gegeben hat, dazu beigetragen hat, sie in die nächste Ära herausragender Leistung zu übertragen.

Germanium wurde erstmals Ende des 19. Jahrhunderts vom deutschen Chemiker Clemens Winkler isoliert und entdeckt. Das Material wurde nach der Heimat des Wissenschaftlers benannt und wurde immer als schlecht leitender Strom angesehen. Dies änderte sich während des Zweiten Weltkriegs, als die Halbleitereigenschaften von Germanium entdeckt wurden - dh die Fähigkeit, zwischen leitendem und blockierendem Strom umzuschalten. In den Nachkriegsjahren entwickelten sich Halbleiterbauelemente in Deutschland rasant. In den Vereinigten Staaten stieg die Produktion als Reaktion auf die Marktanforderungen von einigen hundert Pfund im Jahr 1946 auf 45 Tonnen im Jahr 1960. Aber Silizium hat gewonnen; Es ist ein beliebtes Material für Logik- und Speicherchips geworden.

Und für die Dominanz von Silizium gibt es gute Gründe. Erstens ist es mehr und billiger. Silizium hat eine größere Bandlücke, eine Energiebarriere, die überwunden werden muss, um Leitfähigkeit zu erzeugen. Je größer diese Zone ist, desto schwieriger ist es, dass der Strom zu einem unnötigen Zeitpunkt durch das Gerät fließt und Energie verschwendet. Als Bonus hatte Silizium eine bessere Wärmeleitfähigkeit, was es einfacher machte, Wärme abzuleiten, damit die Schaltkreise nicht überhitzten.

Angesichts aller Vorteile ist es selbstverständlich, interessiert zu sein - warum sollten wir überhaupt daran denken, Deutschland wieder auf den Kanal zu bringen? Die Antwort lautet Mobilität. Elektronen bewegen sich in Deutschland bei Raumtemperatur fast dreimal leichter als in Silizium. Und Löcher - das Fehlen eines Elektrons im Material, das als positive Ladung angesehen wird - bewegen sich fast viermal schneller.


Der 2015 eingeführte neunstufige Ring-CMOS-Oszillator.

Die Tatsache, dass Elektronen und Löcher in Deutschland so mobil sind, macht ihn zu einem geeigneten Kandidaten für CMOS-Schaltungen. CMOS kombiniert zwei verschiedene Arten von Transistoren: p-Kanal-FET (pFET), dessen Kanal einen Überschuss an freien Löchern enthält, und n-Kanal-FET (nFET), der einen Überschuss an Elektronen aufweist. Je schneller sie sich bewegen, desto schneller arbeiten die Schaltkreise. Und eine Verringerung der für ihre Bewegung erforderlichen Spannung bedeutet eine Verringerung des Energieverbrauchs.

Natürlich ist Germanium nicht das einzige Material mit einer solchen Partikelmobilität. Die zuvor genannten Verbindungen A ^III B ^V.Materialien wie Indiumarsenid und Galliumarsenid weisen ebenfalls eine hohe Elektronenmobilität auf. Elektronen in Indiumarsenid sind fast 30-mal mobiler als in Silizium. Das Problem ist jedoch, dass diese Eigenschaft nicht für Löcher gilt - sie sind nicht viel mobiler als die in Silizium. Und diese Einschränkung macht es unmöglich, Hochgeschwindigkeits-pFETs zu erzeugen, und das Fehlen von Hochgeschwindigkeits-pFETs negiert den Empfang schneller CMOS-Schaltungen, da sie nicht mit einem sehr großen Unterschied in der Geschwindigkeit von nFETs und pFETs arbeiten können.

Eine Lösung besteht darin, aus jedem Material das Beste herauszuholen. Forscher in vielen Labors, wie der Europäischen Organisation für die Untersuchung von Halbleitern Imec und dem Zürcher Labor IBM, zeigten diesMethoden zur Erzeugung von Schleifen, in denen nFET-Kanäle aus A ^III B ^V -Verbindungen und pFET aus Deutschland hergestellt werden. Mit dieser Technologie können Sie zwar sehr schnelle Konturen erstellen, die Produktion wird jedoch erheblich verkompliziert.

Deshalb bevorzugen wir den einfachen Ansatz mit Deutschland. Germaniumkanäle sollten die Geschwindigkeit erhöhen, und Produktionsprobleme werden nicht so schwerwiegend sein.

Wie geht es dir in Deutschland?

Eigentum	Silizium (Si)	Germanium (Ge)	Galliumarsenid (GaAs)	Indiumarsenid (InAs)	Einheiten
Eingeschränkter Bereich	1.12	0,66	1.42	0,35	eV
Elektronenmobilität bei 300 K.	1.350	3.900	8.500	40.000	cm 2 / (V s)
Lochbeweglichkeit bei 300 K.	450	1.900	400	500	cm 2 / (V s)
Maximal mögliche Elektronengeschwindigkeit	1	0,6	2	3.5	x 10 7 cm / s
Kritisches elektrisches Feld	0,25	0,1	0,004	0,002	x 10 6 V / cm
Wärmeleitfähigkeit	1.5	0,58	0,5	0,27	W / (cmK)

Damit Germanium - oder ein anderes alternatives Material - in Produktion gehen kann, müssen Sie einen Weg finden, es zu den derzeit zur Herstellung von Chips verwendeten Siliziumsubstraten hinzuzufügen. Glücklicherweise gibt es viele Möglichkeiten, eine Germaniumschicht auf einem Siliziumsubstrat abzuscheiden, aus denen dann Kanäle hergestellt werden können. Die Verwendung einer dünnen Schicht beseitigt zwei Hauptprobleme Deutschlands - die im Vergleich zu Silizium hohen Kosten und die relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit.

Um Silizium in einem Transistor zu ersetzen, reicht es jedoch nicht aus, nur eine dünne und hochwertige Germaniumschicht zu drücken. Der Kanal sollte mit anderen Komponenten des Transistors einwandfrei funktionieren.

Die allgegenwärtigen modernen CMOS-Chips verwenden MOS-Transistoren (Metalloxid-Halbleiter - MOS-Transistor; Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor - MOSFET). Es hat vier Basisteile. Source und Drain - Start- und Endpunkt der Stromverschiebung; der Kanal, der sie verbindet; Ein Verschluss, der als Ventil dient und das Vorhandensein von Strom im Kanal steuert.

In der Realität sind andere Bestandteile in einem hochwertigen Transistor vorhanden. Einer der wichtigsten ist der Gate-Isolator, der verhindert, dass Gate und Kanal kurzgeschlossen werden. Atome in Halbleitern wie Silizium, Germanium und Verbindungen A ^III B ^V.befinden sich in drei Dimensionen. Eine idealerweise flache Oberfläche kann nicht hergestellt werden, daher weisen die Atome am oberen Rand des Kanals mehrere prall gefüllte Bindungen auf. Sie benötigen einen Isolator, der so viele dieser Bindungen wie möglich bindet. Dieser Vorgang wird als Passivierung oder Oberflächenätzen bezeichnet. Bei schlechter Herstellung können Sie einen Kanal mit "elektrischen Schlaglöchern" erhalten, der voll von Stellen ist, an denen Ladungsträger vorübergehend verweilen können, was ihre Mobilität und damit die Geschwindigkeit des Geräts verringert.


Links: nFET aus den Zusammensetzungen A ^III B ^V und pFET aus Deutschland, Stücke beider Materialien, die auf einem Siliziumsubstrat mit Isolierung gewachsen sind.
Rechts: Beide Transistoren bestehen aus Germanium, das an ein Substrat gekoppelt ist.

Glücklicherweise versorgte die Natur Silizium mit einem natürlichen Isolator, der gut mit seiner Kristallstruktur übereinstimmt: Siliziumdioxid (SiO ₂ ). Und obwohl in modernen Transistoren exotischere Isolatoren zu finden sind, haben sie immer noch eine dünne Schicht dieses Oxids, die zur Passivierung des Siliziumkanals dient. Da Silizium und SiO ₂ eine enge Struktur aufweisen, bindet eine gut hergestellte SiO ₂ -Schicht 99.999 von 100.000 freien Bindungen - und auf einem Quadratzentimeter Silizium befinden sich ungefähr ebenso viele davon.

Galliumarsenid und andere Verbindungen A ^III B ^V.Sie haben keine natürlichen Oxide, aber Deutschland hat sie - daher sollte es theoretisch das ideale Material für die Passivierung des Kanals haben. Das Problem ist, dass Germaniumdioxid (GeO ₂ ) schwächer als SiO ₂ ist und von dem Wasser, das zur Reinigung der Substrate während der Chipherstellung verwendet wird, absorbiert und gelöst werden kann. Schlimmer noch, der Wachstumsprozess von GeO _{2 ist} schwer zu kontrollieren. Für eine ideale Vorrichtung ist eine GeO ₂ -Schicht mit einer Dicke von 1 bis ₂ nm erforderlich , aber in Wirklichkeit ist es schwieriger, die Schicht dünner als 20 nm zu machen.

Forscher haben verschiedene Alternativen untersucht. Ein Professor an der Stanford University, Krishna Saraswat, und seine Kollegen, die bereits in den 2000er Jahren das Interesse geweckt hatten, Germanium als alternatives Material zu verwenden, studierten erstmalsZirkonoxid, ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante, wie es heute in Hochgeschwindigkeitstransistoren verwendet wird. Basierend auf ihrer Arbeit untersuchte ein Team von Imec in Belgien, was mit einer ultradünnen Siliziumschicht getan werden kann, um die Grenzfläche zwischen Germanium und ähnlichen Materialien zu verbessern.

Die Passivierung Deutschlands wurde 2011 erheblich verbessert, als das Team von Professor Shinichi Takagi von der Universität Tokio demonstrierteEine Methode zur Steuerung des Wachstums eines Germaniumisolators. Zunächst züchteten die Forscher eine Nanometerschicht eines anderen Isolators, Aluminiumoxid, auf einem Germaniumkanal. Danach wurden sie in eine Sauerstoffkammer gegeben. Ein Teil des Sauerstoffs gelangte durch eine Aluminiumoxidschicht zum darunter liegenden Germanium und mischte sich damit unter Bildung einer dünnen Oxidschicht (eine Verbindung von Germanium mit Sauerstoff, aber technisch nicht GeO ₂ ). Aluminiumoxid hilft nicht nur, das Wachstum zu kontrollieren, sondern dient auch als Schutzbeschichtung für eine weniger stabile Schicht.


Nanodrahtkanäle

Vor einigen Jahren, inspiriert von dieser Entdeckung und angesichts der Komplexität der Erstellung von pFETs mit Kanälen von A ^III B ^V.Meine Gruppe in Purdue begann nach Wegen zu suchen, um Transistoren auf Germaniumkanälen herzustellen. Wir begannen mit der Verwendung von Germaniumsubstraten auf einem Isolator, der vom französischen Hersteller Soitec entwickelt wurde. Dies sind Standard-Siliziumsubstrate mit einer Isolierschicht unter einer 100 nm Germaniumschicht.

Mit diesen Substraten können Sie Transistoren erstellen, bei denen alle Standardteile - Source, Channel und Drain - aus Germanium bestehen. Der Transistorhersteller muss diesem Design nicht folgen, aber es war für uns einfacher, die grundlegenden Eigenschaften von Germaniumgeräten zu untersuchen.

Eines der ersten Hindernisse war der Kampf gegen den Widerstand zwischen Source und Drain des Transistors und der Metallelektroden, die sie mit der Außenwelt verbinden. Der Widerstand entsteht aufgrund der natürlichen elektronischen Schottky-Barriere, die am Kontaktpunkt zwischen dem Metall und dem Halbleiter auftritt. Siliziumtransistoren wurden unermüdlich optimiert, um diese Barriere zu minimieren, so dass Ladungsträger sie leicht überwinden können. Ein Germanium-Gerät erfordert jedoch clevere technische Lösungen. Aufgrund der Nuancen der elektronischen Struktur bewegen sich Löcher leicht von Metall zu Germanium, aber Elektronen sind nicht sehr gut. Dies bedeutet, dass nFETs, die auf der Bewegung von Elektronen beruhen, sehr hohe Widerstands-, Wärme- und Stromverluste aufweisen.

Die Standardmethode, um die Barriere dünner zu machen, besteht darin, der Quelle und dem Abfluss mehr Dotierstoff zuzusetzen. Die Physik des Prozesses ist komplex, kann aber wie folgt dargestellt werden: Mehr Verunreinigungsatome führen mehr freie Ladungen ein. Mit einer Fülle von freien Ladungsträgern wird die elektrische Wechselwirkung zwischen den Metallelektroden und der Halbleiterquelle und -drainage verbessert. Dies hilft, den Tunneleffekt zu verbessern.

Leider funktioniert diese Technologie mit Germanium schlechter als mit Silizium. Das Material hält großen Dotierstoffkonzentrationen nicht stand. Wir können jedoch Orte verwenden, an denen die Dichte der Verunreinigungen maximal ist.

Dazu nutzen wir die Tatsache, dass moderne Halbleiter durch ultrahohe elektrische Felder, die Ionen in das Material drücken, Verunreinigungen hinzugefügt werden. Einige dieser Atome hören sofort auf, während andere tiefer eindringen. Als Ergebnis erhalten Sie eine Normalverteilung: Die Konzentration der Verunreinigungsatome in einer bestimmten Tiefe ist maximal und nimmt dann ab, wenn Sie sich tief oder in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Wenn wir die Source- und Drain-Elektroden in einen Halbleiter vertiefen, können wir sie an den Stellen mit der höchsten Konzentration an Verunreinigungsatomen platzieren. Dies reduziert das Problem des Kontaktwiderstands dramatisch.


Kontakte werden bis zu einer Tiefe der maximalen Konzentration von Verunreinigungsatomen eingetaucht

Unabhängig davon, ob Chiphersteller diesen Ansatz nutzen werden, um die Schottky-Barriere in Deutschland zu reduzieren, ist dies eine nützliche Demonstration ihrer Fähigkeiten. Zu Beginn unserer Studie zeigten Germanium-nFETs am besten Ströme von 100 μA pro μm Breite. 2014 berichteten wir auf dem VLSI-Symposium für Technologie und Schaltkreise in Hawaii über Germanium-nFETs, die zehnmal mehr Strom übertragen können, was in etwa mit Silizium vergleichbar ist. Sechs Monate später zeigten wir die ersten Schaltungen, die Germanium-nFET und pFET enthielten, eine notwendige Voraussetzung für die Herstellung moderner Logikchips.

Seitdem haben wir Germanium verwendet, um fortschrittlichere Transistoren wie FinFET, den Stand der Technik, zu bauen. In Deutschland haben wir sogar Nanodrahttransistoren hergestellt, die in den kommenden Jahren FinFET ersetzen können.

Diese Entwicklungen werden erforderlich sein, damit Deutschland in der Massenproduktion eingesetzt werden kann, da mit ihrer Hilfe der Transistorkanal besser gesteuert werden kann. Aufgrund der kleinen verbotenen Zone von Germanium benötigt ein solcher Transistor nur ein Viertel der Energie, die erforderlich ist, um in den leitenden Zustand des Siliziumtransistors zu wechseln. Dies eröffnet Möglichkeiten für einen energiesparenden Betrieb, erhöht jedoch auch den Stromverlust zu einem Zeitpunkt, an dem dies nicht wahrscheinlicher sein sollte. Mit einem Gerät mit besserer Kontrolle über den Kanal können Hersteller den kleinen eingeschränkten Bereich nutzen, ohne die Geschwindigkeit zu beeinträchtigen.

Wir haben einen guten Start, aber wir haben noch Arbeit. Beispielsweise sind zusätzliche Experimente mit Substraten erforderlich, die Transistoren mit hochwertigen Germaniumkanälen zeigen sollten. Designverbesserungen sind ebenfalls erforderlich, um die Geschwindigkeit zu erhöhen.

Natürlich ist Germanium nicht die einzige Option für Transistoren der Zukunft. Die Forscher untersuchen weiterhin die Formulierungen A ^III B ^V , die sowohl mit Germanium als auch separat verwendet werden können. Die Anzahl möglicher Transistorverbesserungen ist enorm. Diese Liste enthält Kohlenstoffnanoröhrentransistoren , vertikal ausgerichtete Schalter, dreidimensionale Schaltkreise, Kanäle aus einer Mischung von Germanium und Zinn sowie Transistoren, die auf dem Prinzip des Quantentunnelns basieren.

In den kommenden Jahren werden wir möglicherweise einige der aufgeführten Technologien anpassen. Die Zugabe von Germanium - auch in einer Mischung mit Silizium - ist eine Lösung, die es den Herstellern ermöglicht, die Transistoren in naher Zukunft weiter zu verbessern. Germanium, das ursprüngliche Material der Halbleiterzeit, könnte das Allheilmittel für das nächste Jahrzehnt sein.

Source: https://habr.com/ru/post/de399717/