El germanio puede reemplazar el silicio en los transistores y llevarlos a un nuevo nivel

Para demostrar la operatividad del concepto, el autor y el equipo crearon sustratos de germanio en un aislante para crear inversores que contengan primero transistores planos y luego transistores FinFET.

Hace casi 70 años, dos físicos del Laboratorio Telefónico Bell - John Bardin y Walter Brattain [John Bardeen y Walter Brattain]: presionó dos delgados contactos de oro en una placa de germanio e hizo un tercer contacto desde el fondo de la placa. La corriente que pasa a través de esta estructura podría usarse para convertir una señal débil en una fuerte. Como resultado, apareció el primer transistor: un amplificador y un interruptor, que, tal vez, se convirtió en el mayor invento del siglo XX. Gracias a la ley de Moore, el transistor desarrolló computadoras mucho más allá de lo que parecía posible en la década de 1950.

A pesar del papel estelar del germanio en la historia temprana de los transistores, pronto fue reemplazado por silicio. Pero ahora, sorprendentemente, este material está listo para regresar. Los líderes en la fabricación de chips están considerando la sustitución de componentes en el corazón del transistor, el canal conductor. La idea es reemplazar el silicio con un material que pueda conducir mejor la corriente. La creación de transistores con estos canales puede ayudar a los ingenieros a continuar mejorando el rendimiento del circuito para la velocidad y la eficiencia energética, lo que significará la aparición de computadoras, teléfonos inteligentes y muchos otros dispositivos mejorados en los próximos años.

Durante mucho tiempo, el interés en canales alternativos giró en torno a los compuestos A ^III B ^V , como el arseniuro de galio, que consiste en átomos ubicados a la izquierda y derecha del silicio en la tabla periódica. Y participé en ese estudio. Hace ocho años, escribí un artículo para esta revista , describiendo el progreso realizado en la construcción de transistores en tales conexiones.


Dos transistores en el inversor basado en FinFET contienen canales de aleta que se destacan del plano del sustrato (canales de color rosa en la parte superior y una vista biselada de otro conjunto en la parte inferior). Las distancias entre las aletas de arriba son decenas de nanómetros.

Pero como resultado, encontramos que el enfoque con A ^III B ^VExisten limitaciones físicas fundamentales. Y también, muy probablemente, sería demasiado costoso y complicado integrarlo con la tecnología de silicio existente. Hace unos años, mi equipo de la Universidad de Purdue comenzó a experimentar con otro dispositivo: un transistor cuyo canal está hecho de Alemania. Desde entonces, hemos demostrado los primeros contornos de CMOS (semiconductor de óxido de metal complementario) [CMOS, semiconductor de óxido de metal complementario]. Casi la misma lógica que existe dentro de las computadoras modernas, solo hecha de germanio cultivado en sustratos de silicio ordinarios. También creamos varias arquitecturas de transistores diferentes a partir de este material. Estos incluyen dispositivos de nanocables que podrían ser el próximo paso de producción cuando los mejores transistores de hoy, FinFET,ya no será posible reducir aún más.

Y aún más interesante, resulta que regresar el germanio al trabajo no es tan difícil como parece. Los transistores que usan una combinación de silicio y germanio en el canal ya se pueden encontrar en los nuevos chips, y aparecieron por primera vez en 2015, en una demostración de las futuras tecnologías de fabricación de chips de IBM. Estos desarrollos pueden ser el primer paso en una industria que busca incorporar una participación cada vez mayor de Alemania en los canales. Después de unos años, podemos encontrar el hecho de que el material que nos dio los transistores ayudó a transferirlos a la próxima era de rendimiento sobresaliente.

El germanio fue aislado y descubierto por primera vez por el químico alemán Clemens Winkler a fines del siglo XIX. El material lleva el nombre de la tierra natal del científico, y siempre se ha considerado una corriente deficiente. Esto cambió durante la Segunda Guerra Mundial, cuando se descubrieron las propiedades semiconductoras del germanio, es decir, la capacidad de cambiar entre corriente conductora y de bloqueo. En los años de la posguerra, los dispositivos semiconductores en Alemania se desarrollaron rápidamente. En los Estados Unidos, la producción, respondiendo a las demandas del mercado, aumentó de unos pocos cientos de libras en 1946 a 45 toneladas en 1960. Pero el silicio ganó; Se ha convertido en un material popular para la lógica y los chips de memoria.

Y para el dominio del silicio, hay buenas razones. En primer lugar, es más y más barato. El silicio tiene una brecha de banda más amplia, una barrera energética que debe superarse para crear conductividad. Cuanto más grande es esta zona, más difícil es que la corriente se filtre a través del dispositivo en un momento innecesario y desperdicie energía. Como beneficio adicional, el silicio tenía una mejor conductividad térmica, lo que facilitaba la eliminación del calor para que los circuitos no se sobrecalentaran.

Dadas todas las ventajas, es natural que nos interese: ¿por qué pensaríamos en devolver a Alemania al canal? La respuesta es movilidad. Los electrones en Alemania a temperatura ambiente se mueven casi tres veces más fácilmente que en el silicio. Y los agujeros, la ausencia de un electrón en el material, considerado como una carga positiva, se mueven casi cuatro veces más voluntariamente.


El oscilador CMOS de anillo de nueve etapas, presentado en 2015.

El hecho de que los electrones y los agujeros sean tan móviles en Alemania lo convierte en un candidato conveniente para los circuitos CMOS. CMOS combina dos tipos diferentes de transistores: FET de canal p (pFET), cuyo canal contiene un exceso de agujeros libres, y FET de canal n (nFET), que tienen un exceso de electrones. Cuanto más rápido se mueven, más rápido funcionan los circuitos. Y una disminución en el voltaje requerido para su movimiento significa una disminución en el consumo de energía.

Por supuesto, el germanio no es el único material con tal movilidad de partículas. Los compuestos mencionados anteriormente A ^III B ^V, materiales como el arseniuro de indio y el arseniuro de galio también cuentan con alta movilidad de electrones. Los electrones en el arseniuro de indio son casi 30 veces más móviles que en el silicio. Pero el problema es que esta propiedad no se aplica a los agujeros: no son mucho más móviles que los de silicio. Y esta limitación hace que sea imposible crear pFET de alta velocidad, y la falta de pFET de alta velocidad niega la recepción de circuitos CMOS rápidos, ya que no pueden funcionar con una diferencia muy grande en las velocidades de nFET y pFET.

Una solución es tomar lo mejor de cada material. Investigadores de muchos laboratorios, como la Organización Europea para el Estudio de Semiconductores Imec y el Laboratorio de Zurich de IBM, mostraronmétodos para crear bucles en los que los canales nFET están hechos de compuestos A ^III B ^V y pFET de Alemania. Y aunque esta tecnología puede permitirle crear contornos muy rápidos, complica mucho la producción.

Por lo tanto, preferimos el enfoque simple con Alemania. Los canales de germanio deberían aumentar la velocidad, y los problemas de producción no serán tan graves.

Como te va en alemania

Propiedad	Silicio (Si)	Germanio (Ge)	Arseniuro de Galio (GaAs)	Arseniuro de indio (InAs)	Unidades
Área restringida	1.12	0,66	1,42	0,35	eV
Movilidad de electrones a 300 K	1,350	3.900	8,500	40,000	cm 2 / (V s)
Movilidad de agujeros a 300 K	450	1,900	400	500	cm 2 / (V s)
Máxima velocidad electrónica posible	1	0.6	2	3.5	x10 7 cm / s
Campo eléctrico crítico	0.25	0.1	0.004	0.002	x10 6 V / cm
Conductividad térmica	1,5	0,58	0.5 0.5	0.27	W / (cmK)

Para que el germanio, o cualquier otro material alternativo, entre en producción, necesita encontrar una manera de agregarlo a los sustratos de silicio que se usan actualmente para hacer chips. Afortunadamente, hay muchas maneras de depositar una capa de germanio en un sustrato de silicio, a partir de la cual se pueden hacer canales. El uso de una capa delgada elimina dos problemas clave de Alemania: el alto costo en comparación con el silicio y la conductividad térmica relativamente pobre.

Pero para reemplazar el silicio en un transistor, no es suficiente empujar una capa delgada de germanio de alta calidad. El canal debería funcionar perfectamente con otros componentes del transistor.

Los omnipresentes chips CMOS modernos utilizan transistores MOS (semiconductor de óxido de metal - transistor MOS; transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal - MOSFET). Tiene cuatro partes base. Fuente y drenaje: el punto inicial y final del desplazamiento actual; el canal que los conecta; un obturador que sirve como válvula que controla la presencia de corriente en el canal.

En realidad, otros ingredientes están presentes en un transistor de alta calidad. Uno de los más importantes es el aislante de la puerta, que evita que la puerta y el canal se cortocircuiten. Átomos en semiconductores como silicio, germanio y compuestos A ^III B ^VSe ubican en tres dimensiones. No se puede hacer una superficie idealmente plana, por lo tanto, los átomos en la parte superior del canal tendrán varios enlaces abultados. Necesita un aislante que una la mayor cantidad posible de estos enlaces, y este proceso se llama pasivación o grabado superficial. En el caso de una fabricación deficiente, puede obtener un canal con "baches eléctricos", lleno de lugares donde los portadores de carga pueden permanecer temporalmente, lo que reduce su movilidad y, como resultado, la velocidad del dispositivo.


Izquierda: nFET de las composiciones A ^III B ^V y pFET de Alemania, piezas de ambos materiales cultivados en un sustrato de silicio con aislamiento.
Derecha: ambos transistores están hechos de germanio acoplado a un sustrato.

Afortunadamente, la naturaleza suministró silicio con un aislante natural, que coincide bien con su estructura cristalina: dióxido de silicio (SiO ₂ ). Y aunque se encuentran aislantes más exóticos en los transistores modernos, todavía tienen una capa delgada de este óxido, que sirve para pasivar el canal de silicio. Dado que el silicio y el SiO ₂ tienen una estructura cercana, una capa de SiO ₂ bien hecha une 99,999 de 100,000 enlaces libres, y hay casi la misma cantidad de ellos en un centímetro cuadrado de silicio.

Arseniuro de galio y otros compuestos A ^III B ^Vno tienen óxidos naturales, pero Alemania lo tiene, por lo tanto, en teoría, debería tener el material ideal para la pasivación del canal. El problema es que el dióxido de germanio (GeO ₂ ) es más débil que el SiO ₂ y puede ser absorbido y disuelto por el agua utilizada para limpiar los sustratos durante la fabricación del chip. Peor aún, el proceso de crecimiento de GeO _{2 es} difícil de controlar. Para un dispositivo ideal, se requiere una capa de GeO ₂ de 1-2 nm de espesor, pero en realidad es más difícil hacer que la capa sea más delgada que 20 nm.

Los investigadores han estado explorando diferentes alternativas. Un profesor de Stanford, Krishna Saraswat, y sus colegas, que estimularon el interés en usar germanio como material alternativo en la década de 2000, estudiaron por primera vezcirconia, un material con alta constante dieléctrica del tipo que se usa hoy en día en transistores de alta velocidad. Basado en su trabajo, un equipo de Imec en Bélgica estudió lo que se puede hacer con una capa de silicio ultradelgada para mejorar la interfaz entre germanio y materiales similares.

Pero la pasivación de Alemania mejoró seriamente en 2011 cuando el equipo del profesor Shinichi Takagi de la Universidad de Tokio demostróUn método para controlar el crecimiento de un aislante de germanio. Al principio, los investigadores cultivaron una capa nanométrica de otro aislante, alúmina, en un canal de germanio. Después de eso, fueron colocados en una cámara de oxígeno. Parte del oxígeno pasó a través de una capa de alúmina hasta el germanio a continuación, y se mezcló con él, formando una capa delgada de óxido (un compuesto de germanio con oxígeno, pero no técnicamente GeO ₂ ). La alúmina no solo ayuda a controlar el crecimiento, sino que también sirve como una capa protectora para una capa menos estable.


Canales de nanocables

Hace unos años, inspirados por este descubrimiento y dada la complejidad de crear pFET con canales de A ^III B ^V, mi grupo en Purdue comenzó a explorar formas de crear transistores en canales de germanio. Comenzamos con el uso de sustratos de germanio en un aislante desarrollado por el fabricante francés Soitec. Estos son sustratos de silicio estándar con una capa aislante debajo de una capa de germanio de 100 nm.

Con estos sustratos, puede crear transistores en los que todas las partes estándar (fuente, canal y drenaje) están hechas de germanio. El fabricante del transistor no tiene que seguir este diseño, pero nos fue más fácil estudiar las propiedades básicas de los dispositivos de germanio.

Uno de los primeros obstáculos fue la lucha contra la resistencia entre la fuente y el drenaje del transistor y los electrodos metálicos que los conectaban con el mundo exterior. La resistencia surge debido a la barrera electrónica natural de Schottky que aparece en el punto de contacto entre el metal y el semiconductor. Los transistores de silicio se han optimizado incansablemente para minimizar esta barrera, de modo que los portadores de carga puedan superarla fácilmente. Pero un dispositivo de germanio requiere soluciones ingeniosas de ingeniería. Debido a los matices de la estructura electrónica, los agujeros se mueven fácilmente del metal al germanio, pero los electrones no son muy buenos. Esto significa que los nFET, que dependen del movimiento de electrones, tendrán una resistencia muy alta, pérdidas de calor y corriente.

La forma estándar de hacer que la barrera sea más delgada es agregar más dopante a la fuente y drenar. La física del proceso es compleja, pero se puede representar de la siguiente manera: más átomos de impurezas introducen más cargas libres. Con una gran cantidad de portadores de carga gratuita, se mejora la interacción eléctrica entre los electrodos metálicos y la fuente de semiconductores y el drenaje. Esto ayuda a mejorar el efecto túnel.

Desafortunadamente, esta tecnología funciona peor con germanio que con silicio. El material no soporta grandes concentraciones de dopantes. Pero podemos usar aquellos lugares donde la densidad de impurezas es máxima.

Para hacer esto, aprovechamos el hecho de que las impurezas se agregan a los semiconductores modernos mediante campos eléctricos ultraaltos que empujan los iones al material. Algunos de estos átomos se detienen inmediatamente, mientras que otros penetran más profundamente. Como resultado, obtendrá una distribución normal: la concentración de átomos de impurezas a una cierta profundidad será máxima, y ​​luego disminuirá cuando se mueva profundamente o en la dirección opuesta. Si profundizamos la fuente y drenamos los electrodos en un semiconductor, podemos colocarlos en los lugares de mayor concentración de átomos de impurezas. Esto reduce drásticamente el problema de la resistencia de contacto.


Los contactos se sumergen a una profundidad de la concentración máxima de átomos de impurezas.

Independientemente de si los fabricantes de chips utilizarán este enfoque para reducir la barrera de Schottky en Alemania, esta es una demostración útil de sus capacidades. Al comienzo de nuestro estudio, lo mejor que mostraron los nFET de germanio fue corrientes de 100 μA por cada μm de ancho. En 2014, en el Simposio de Tecnología y Circuitos VLSI en Hawai, informamos sobre nFET de germanio que pueden transmitir 10 veces más corriente, que es aproximadamente comparable al silicio. Seis meses después, demostramos los primeros circuitos que contenían germanio nFET y pFET, un requisito previo necesario para la fabricación de chips lógicos modernos.

Desde entonces, hemos utilizado germanio para construir transistores más avanzados, como FinFET, el estado del arte. Incluso fabricamos transistores de nanocables en Alemania, que en los próximos años pueden reemplazar a FinFET.

Estos desarrollos serán necesarios para que Alemania se utilice en la producción en masa, ya que con su ayuda es posible controlar mejor el canal del transistor. Debido a la pequeña zona prohibida de germanio, dicho transistor requiere solo una cuarta parte de la energía necesaria para cambiar al estado conductor del transistor de silicio. Esto abre oportunidades para la operación de baja energía, pero también hace que la fuga de corriente en un momento en que no sea más probable. Un dispositivo con mejor control sobre el canal permitirá a los fabricantes usar el área restringida pequeña sin comprometer la velocidad.

Tenemos un buen comienzo, pero aún tenemos trabajo. Por ejemplo, se necesitan experimentos adicionales con sustratos, que deberían mostrar transistores con canales de germanio de alta calidad. También se necesitan mejoras de diseño para acelerar.

Por supuesto, el germanio no es la única opción para los transistores del futuro. Los investigadores continúan estudiando las formulaciones A ^III B ^V , que pueden usarse tanto con germanio como por separado. El número de posibles mejoras de transistores es enorme. Esta lista incluye transistores de nanotubos de carbono , interruptores orientados verticalmente, circuitos tridimensionales, canales de una mezcla de germanio y estaño, transistores basados ​​en el principio del túnel cuántico.

En los próximos años, quizás adaptaremos algunas de las tecnologías enumeradas. Pero la adición de germanio, incluso en una mezcla con silicio, es una solución que permitirá a los fabricantes continuar mejorando los transistores en el futuro cercano. El germanio, el material original de la era de los semiconductores, podría ser la panacea para su próxima década.

Source: https://habr.com/ru/post/es399717/