Le germanium peut remplacer le silicium dans les transistors et les porter à un nouveau niveau

Pour démontrer l'opérabilité du concept, l'auteur et l'équipe ont créé des substrats en germanium sur un isolant pour créer des onduleurs contenant d'abord des transistors planaires puis des transistors FinFET. Il y a

près de 70 ans, deux physiciens du Bell Telephone Laboratory - John Bardin et Walter Brattain [John Bardeen et Walter Brattain] - a enfoncé deux minces contacts en or dans une plaque de germanium et a établi un troisième contact à partir du bas de la plaque. Le courant traversant cette structure pourrait être utilisé pour transformer un signal faible en un signal fort. En conséquence, le premier transistor est apparu - un amplificateur et un interrupteur, qui, peut-être, est devenu la plus grande invention du 20e siècle. Grâce à la loi de Moore, le transistor a développé des ordinateurs bien au-delà de ce qui semblait possible dans les années 1950.

Malgré le rôle étoilé du germanium au début de l'histoire des transistors, il a rapidement été remplacé par du silicium. Mais maintenant, étonnamment, ce matériau est prêt à revenir. Les leaders de la fabrication de puces réfléchissent au remplacement des composants au cœur du transistor, le canal conducteur. L'idée est de remplacer le silicium par un matériau qui peut mieux conduire le courant. La création de transistors avec ces canaux peut aider les ingénieurs à continuer d'améliorer les performances des circuits pour la vitesse et l'efficacité énergétique, ce qui signifiera l'émergence d'ordinateurs, de smartphones et de nombreux autres gadgets améliorés dans les années à venir.

Pendant longtemps, l'intérêt pour les canaux alternatifs a tourné autour des composés A ^III B ^V , tels que l'arséniure de gallium, constitué d'atomes situés à gauche et à droite du silicium dans le tableau périodique. Et j'ai participé à cette étude. Il y a huit ans, j'ai écrit un article pour ce magazine , décrivant les progrès réalisés dans la construction de transistors sur de telles connexions.


Deux transistors dans l'onduleur à base de FinFET contiennent des canaux d'ailettes qui se détachent du plan du substrat (canaux roses en haut et vue biseautée d'un autre ensemble en bas). Les distances entre les ailettes ci-dessus sont des dizaines de nanomètres.

Mais en conséquence, nous avons constaté que l'approche avec A ^III B ^Vil y a des limitations physiques fondamentales. Et aussi, très probablement, il serait trop coûteux et compliqué d'intégrer la technologie silicium existante. Il y a quelques années, mon équipe de l'Université Purdue a commencé à expérimenter avec un autre appareil: un transistor dont le canal est en Allemagne. Depuis, nous avons démontré les premiers contours du CMOS (complémentaire métal-oxyde-semi-conducteur) [CMOS, complémentaire métal-oxyde-semi-conducteur]. À propos de la même logique que celle des ordinateurs modernes, uniquement à base de germanium cultivé sur des substrats de silicium ordinaires. Nous avons également créé un certain nombre d'architectures de transistors différentes à partir de ce matériau. Il s'agit notamment de dispositifs à nanofils qui pourraient être la prochaine étape de production lorsque les meilleurs transistors d'aujourd'hui, FinFET,il ne sera plus possible de réduire davantage.

Et plus intéressant encore, il s'avère que le retour du germanium au travail n'est pas aussi difficile qu'il y paraît. Des transistors utilisant une combinaison de silicium et de germanium dans le canal peuvent déjà être trouvés dans les nouvelles puces, et ils sont apparus pour la première fois en 2015, dans une démonstration des futures technologies de fabrication de puces d'IBM. Ces développements pourraient être la première étape d'une industrie cherchant à intégrer une part toujours croissante de l'Allemagne dans les chaînes. Après quelques années, nous pouvons rencontrer le fait que le matériau qui nous a donné les transistors a contribué à les transférer à la prochaine ère de performances exceptionnelles.

Le germanium a été isolé et découvert pour la première fois par le chimiste allemand Clemens Winkler à la fin du XIXe siècle. Le matériau a été nommé d'après la patrie du scientifique et a toujours été considéré comme un courant peu conducteur. Cela a changé pendant la Seconde Guerre mondiale, lorsque les propriétés semi-conductrices du germanium ont été découvertes, c'est-à-dire la capacité de basculer entre le courant conducteur et le courant de blocage. Dans les années d'après-guerre, les dispositifs semi-conducteurs en Allemagne se sont développés rapidement. Aux États-Unis, la production, répondant aux demandes du marché, est passée de quelques centaines de livres en 1946 à 45 tonnes en 1960. Mais le silicium a gagné; Il est devenu un matériau populaire pour les puces logiques et de mémoire.

Et pour la dominance du silicium, il y a de bonnes raisons. Premièrement, c'est plus et moins cher. Le silicium a une bande interdite plus large, une barrière énergétique qui doit être surmontée pour créer une conductivité. Plus cette zone est grande, plus il est difficile pour le courant de fuir à travers l'appareil à un moment inutile et de gaspiller de l'énergie. En prime, le silicium avait une meilleure conductivité thermique, ce qui facilitait l'évacuation de la chaleur afin que les circuits ne surchauffent pas.

Compte tenu de tous les avantages, il est naturel de s’intéresser - pourquoi penserions-nous même à renvoyer l’Allemagne sur la chaîne? La réponse est la mobilité. Les électrons en Allemagne à température ambiante se déplacent presque trois fois plus facilement que dans le silicium. Et les trous - l'absence d'électron dans le matériau, considéré comme une charge positive - se déplacent presque quatre fois plus volontiers.


L'oscillateur CMOS à anneau en neuf étapes introduit en 2015.

Le fait que les électrons et les trous soient si mobiles en Allemagne en fait un candidat idéal pour les circuits CMOS. Le CMOS combine deux types de transistors: le FET à canal p (pFET), dont le canal contient un excès de trous libres, et le FET à canal n (nFET), qui ont un excès d'électrons. Plus ils se déplacent rapidement, plus les circuits fonctionnent rapidement. Et une diminution de la tension nécessaire à leur mouvement signifie une diminution de la consommation d'énergie.

Bien sûr, le germanium n'est pas le seul matériau avec une telle mobilité des particules. Les composés mentionnés précédemment A ^III B ^V, des matériaux tels que l'arséniure d'indium et l'arséniure de gallium offrent également une mobilité électronique élevée. Les électrons dans l'arséniure d'indium sont presque 30 fois plus mobiles que dans le silicium. Mais le problème est que cette propriété ne s'applique pas aux trous - ils ne sont pas beaucoup plus mobiles que ceux du silicium. Et cette limitation rend impossible la création de pFET à grande vitesse, et le manque de pFET à grande vitesse annule la réception de circuits CMOS rapides, car ils ne peuvent pas fonctionner avec une très grande différence dans les vitesses des nFET et des pFET.

Une solution consiste à tirer le meilleur parti de chaque matériau. Des chercheurs de nombreux laboratoires, tels que l'Organisation européenne pour l'étude des semi-conducteurs Imec et le laboratoire de Zurich IBM, ont montréméthodes de création de boucles dans lesquelles les canaux nFET sont constitués de composés A ^III B ^V et de pFET d'Allemagne. Et bien que cette technologie puisse vous permettre de créer des contours très rapides, elle complique grandement la production.

Par conséquent, nous préférons l'approche simple avec l'Allemagne. Les canaux de germanium devraient augmenter la vitesse et les problèmes de production ne seront pas si graves.

Comment ça va en Allemagne

Biens	Silicium (Si)	Germanium (Ge)	Arséniure de gallium (GaAs)	Arséniure d'indium (InAs)	Unités
Zone restreinte	1.12	0,66	1,42	0,35	eV
Mobilité électronique à 300 K	1 350	3 900	8 500	40 000	cm 2 / (V s)
Mobilité des trous à 300 K	450	1.900	400	500	cm 2 / (V s)
Vitesse d'électrons maximale possible	1	0,6	2	3,5	x10 7 cm / s
Champ électrique critique	0,25	0,1	0,004	0,002	x10 6 V / cm
Conductivité thermique	1,5	0,58	0,5	0,27	W / (cmK)

Pour que le germanium - ou tout autre matériau - entre en production, vous devez trouver un moyen de l'ajouter aux substrats de silicium actuellement utilisés pour fabriquer les puces. Heureusement, il existe de nombreuses façons de déposer une couche de germanium sur un substrat de silicium, à partir de laquelle des canaux peuvent ensuite être réalisés. L'utilisation d'une couche mince élimine deux problèmes clés de l'Allemagne - le coût élevé par rapport au silicium et la conductivité thermique relativement médiocre.

Mais pour remplacer le silicium dans un transistor, il ne suffit pas de pousser une couche mince et de haute qualité de germanium. Le canal doit fonctionner parfaitement avec les autres composants du transistor.

Les puces CMOS modernes omniprésentes utilisent des transistors à base de MOS (métal-oxyde-semi-conducteur - transistor MOS; métal-oxyde-semi-conducteur à effet de champ transistor - MOSFET). Il a quatre parties de base. Source et drain - le point de départ et d'arrivée du déplacement actuel; le canal qui les relie; un obturateur servant de valve qui contrôle la présence de courant dans le canal.

En réalité, d'autres ingrédients sont présents dans un transistor de haute qualité. L'un des plus importants est l'isolateur de grille, qui empêche la grille et le canal de se court-circuiter. Atomes dans les semi-conducteurs tels que le silicium, le germanium et les composés A ^III B ^Vsont situés en trois dimensions. Une surface idéalement plate ne peut pas être réalisée, par conséquent, les atomes au sommet du canal auront plusieurs liaisons bombées. Vous avez besoin d'un isolant qui lie autant de ces liaisons que possible, et ce processus est appelé passivation ou gravure de surface. En cas de mauvaise fabrication, vous pouvez obtenir un canal avec des "nids de poule électriques", plein d'endroits où les porteurs de charge peuvent s'attarder temporairement, ce qui réduit leur mobilité et, par conséquent, la vitesse de l'appareil.


À gauche: nFET des compositions A ^III B ^V et pFET d'Allemagne, morceaux des deux matériaux cultivés sur un substrat de silicium avec isolation.
À droite: les deux transistors sont en germanium couplé à un substrat.

Heureusement, la nature a fourni au silicium un isolant naturel qui coïncide bien avec sa structure cristalline: le dioxyde de silicium (SiO ₂ ). Et bien que des isolateurs plus exotiques se trouvent dans les transistors modernes, ils ont encore une fine couche de cet oxyde, qui sert à passiver le canal de silicium. Étant donné que le silicium et le SiO ₂ sont de structure proche, une couche de SiO ₂ bien faite lie 99 999 des 100 000 liaisons libres - et il y en a à peu près autant sur un centimètre carré de silicium.

Arséniure de gallium et autres composés A ^III B ^Vils n'ont pas d'oxydes naturels, mais l'Allemagne en a - donc, en théorie, elle devrait avoir le matériau idéal pour la passivation du canal. Le problème est que le dioxyde de germanium (GeO ₂ ) est plus faible que SiO ₂ et peut être absorbé et dissous par l'eau utilisée pour nettoyer les substrats pendant la fabrication des puces. Pire encore, le processus de croissance de GeO _{2 est} difficile à contrôler. Pour un appareil idéal, une couche de GeO ₂ de 1 à 2 nm d'épaisseur est nécessaire , mais en réalité, il est plus difficile de rendre la couche plus mince que 20 nm.

Les chercheurs ont exploré différentes alternatives. Un professeur à Stanford, Krishna Saraswat, et ses collègues, qui ont suscité l'intérêt d'utiliser le germanium comme matériau alternatif dans les années 2000, ont d' abord étudiéla zircone, un matériau à constante diélectrique élevée du type de celui utilisé aujourd'hui dans les transistors à grande vitesse. Sur la base de leurs travaux, une équipe d'Imec en Belgique a étudié ce qui peut être fait avec une couche de silicium ultra-mince pour améliorer l'interface entre le germanium et des matériaux similaires.

Mais la passivation de l'Allemagne s'est considérablement améliorée en 2011 lorsque l'équipe du professeur Shinichi Takagi de l'Université de Tokyo a démontréUne méthode de contrôle de la croissance d'un isolant au germanium. Dans un premier temps, les chercheurs ont fait croître une couche nanométrique d'un autre isolant, l'alumine, sur un canal de germanium. Après cela, ils ont été placés dans une chambre à oxygène. Une partie de l'oxygène a traversé une couche d'alumine jusqu'au germanium en dessous, et s'est mélangée avec elle, formant une fine couche d'oxyde (un composé de germanium avec de l'oxygène, mais pas techniquement du GeO ₂ ). L'alumine aide non seulement à contrôler la croissance, mais sert également de revêtement protecteur pour une couche moins stable.


Canaux nanofils

Il y a quelques années, inspiré par cette découverte et compte tenu de la complexité de la création de pFET avec des canaux de A ^III B ^V, mon groupe à Purdue a commencé à explorer des façons de créer des transistors sur des canaux en germanium. Nous avons commencé avec l'utilisation de substrats en germanium sur un isolant développé par le fabricant français Soitec. Ce sont des substrats de silicium standard avec une couche isolante sous une couche de germanium à 100 nm.

Avec ces substrats, vous pouvez créer des transistors dans lesquels toutes les pièces standard - la source, le canal et le drain - sont en germanium. Le fabricant de transistors n'a pas à suivre cette conception, mais il nous a été plus facile d'étudier les propriétés de base des dispositifs au germanium.

L'un des premiers obstacles a été la lutte contre les résistances entre la source et le drain du transistor et les électrodes métalliques les reliant au monde extérieur. La résistance résulte de la barrière électronique Schottky naturelle qui apparaît au point de contact entre le métal et le semi-conducteur. Les transistors au silicium ont été inlassablement optimisés pour minimiser cette barrière, afin que les porteurs de charge puissent facilement la surmonter. Mais un appareil au germanium nécessite des solutions d'ingénierie astucieuses. En raison des nuances de la structure électronique, les trous passent facilement du métal au germanium, mais les électrons ne sont pas très bons. Cela signifie que les nFET, qui dépendent du mouvement des électrons, auront des pertes de résistance, de chaleur et de courant très élevées.

La manière standard de rendre la barrière plus mince est d'ajouter plus de dopant à la source et au drain. La physique du processus est complexe, mais elle peut être représentée comme suit: plus d'atomes d'impuretés introduisent plus de charges libres. Avec une abondance de porteurs de charge gratuits, l'interaction électrique entre les électrodes métalliques et la source et le drain semi-conducteurs est améliorée. Cela contribue à améliorer l'effet tunnel.

Malheureusement, cette technologie fonctionne moins bien avec le germanium qu'avec le silicium. Le matériau ne résiste pas à de grandes concentrations de dopants. Mais nous pouvons utiliser ces endroits où la densité d'impuretés est maximale.

Pour ce faire, nous profitons du fait que des impuretés sont ajoutées aux semi-conducteurs modernes par des champs électriques ultra-élevés qui poussent les ions dans le matériau. Certains de ces atomes s'arrêtent immédiatement, tandis que d'autres pénètrent plus profondément. En conséquence, vous obtiendrez une distribution normale: la concentration d'atomes d'impuretés à une certaine profondeur sera maximale, puis diminuera lorsque vous vous déplacerez en profondeur ou dans la direction opposée. Si nous approfondissons les électrodes de source et de drain dans un semi-conducteur, nous pouvons les placer aux endroits où la concentration d'atomes d'impuretés est la plus élevée. Cela réduit considérablement le problème de la résistance de contact.


Les contacts sont immergés à une profondeur de la concentration maximale d'atomes d'impuretés

Que les fabricants de puces utilisent ou non cette approche pour réduire la barrière Schottky en Allemagne, il s'agit d'une démonstration utile de ses capacités. Au début de notre étude, le meilleur que les nFET au germanium aient montré était des courants de 100 μA pour chaque μm de largeur. En 2014, lors du VLSI Technology and Circuits Symposium à Hawaï, nous avons rendu compte des nFET au germanium qui peuvent transmettre 10 fois plus de courant, ce qui est à peu près comparable au silicium. Six mois plus tard, nous avons démontré les premiers circuits contenant du germanium nFET et pFET, une condition préalable nécessaire à la fabrication de puces logiques modernes.

Depuis lors, nous avons utilisé du germanium pour construire des transistors plus avancés, tels que FinFET, l'état de l'art. Nous avons même fabriqué des transistors à nanofils en Allemagne, qui dans les années à venir peuvent remplacer les FinFET.

Ces développements seront nécessaires pour que l'Allemagne soit utilisée dans la production de masse, car avec leur aide, il est possible de mieux contrôler le canal du transistor. En raison de la petite zone interdite de germanium, un tel transistor ne nécessite qu'un quart de l'énergie nécessaire pour passer à l'état conducteur du transistor silicium. Cela ouvre des possibilités de fonctionnement à faible consommation d'énergie, mais rend également les fuites de courant à un moment où il ne devrait pas le faire plus probable. Un appareil avec un meilleur contrôle sur le canal permettra aux fabricants d'utiliser la petite zone restreinte sans compromettre la vitesse.

Nous avons un bon départ, mais nous avons encore du travail. Par exemple, des expériences supplémentaires avec des substrats sont nécessaires, qui devraient montrer des transistors avec des canaux de germanium de haute qualité. Des améliorations de conception sont également nécessaires pour accélérer.

Bien sûr, le germanium n'est pas la seule option pour les transistors du futur. Les chercheurs continuent d'étudier les formulations A ^III B ^V , qui peuvent être utilisées à la fois avec du germanium et séparément. Le nombre d'améliorations possibles des transistors est énorme. Cette liste comprend des transistors en nanotubes de carbone , des commutateurs orientés verticalement, des circuits tridimensionnels, des canaux d'un mélange de germanium et d'étain, des transistors basés sur le principe de la tunnelisation quantique.

Dans les années à venir, nous adapterons peut-être certaines des technologies énumérées. Mais l'ajout de germanium - même en mélange avec du silicium - est une solution qui permettra aux fabricants de continuer à améliorer les transistors dans un avenir proche. Le germanium, le matériau original de l'ère des semi-conducteurs, pourrait être la panacée pour sa prochaine décennie.

Source: https://habr.com/ru/post/fr399717/