Germanium dapat menggantikan silikon dalam transistor dan membawanya ke tingkat yang baru

Untuk menunjukkan pengoperasian konsep, penulis dan tim menciptakan substrat dari germanium pada insulator untuk membuat inverter yang berisi transistor planar pertama dan kemudian transistor FinFET.

Hampir 70 tahun yang lalu, dua fisikawan dari Bell Telephone Laboratory - John Bardin dan Walter Brattain [John Bardeen dan Walter Brattain] - menekan dua kontak emas tipis ke dalam piring germanium, dan membuat kontak ketiga dari bagian bawah piring. Arus yang melewati struktur ini dapat digunakan untuk mengubah sinyal lemah menjadi sinyal kuat. Akibatnya, transistor pertama muncul - penguat dan saklar, yang, mungkin, menjadi penemuan terbesar abad ke-20. Berkat hukum Moore, transistor mengembangkan komputer jauh melampaui apa yang tampak mungkin pada 1950-an.

Meskipun peran berbintang germanium dalam sejarah awal transistor, segera diganti oleh silikon. Namun kini, secara mengejutkan, bahan ini siap kembali. Para pemimpin dalam pembuatan chip sedang mempertimbangkan penggantian komponen di jantung transistor, saluran konduktif. Idenya adalah mengganti silikon dengan bahan yang bisa menghantarkan arus lebih baik. Menciptakan transistor dengan saluran ini dapat membantu insinyur terus meningkatkan kinerja sirkuit untuk kecepatan dan efisiensi energi, yang berarti munculnya komputer yang lebih baik, telepon pintar, dan banyak gadget lainnya di tahun-tahun mendatang.

Untuk waktu yang lama, minat pada saluran alternatif berputar di sekitar senyawa A ^III B ^V , seperti gallium arsenide, yang terdiri dari atom yang terletak di sebelah kiri dan kanan silikon dalam tabel periodik. Dan saya berpartisipasi dalam penelitian itu. Delapan tahun yang lalu, saya menulis artikel untuk majalah ini , menguraikan kemajuan yang dibuat dalam membangun transistor pada koneksi semacam itu.


Dua transistor dalam inverter berbasis FinFET berisi saluran sirip yang menonjol dari bidang substrat (saluran merah muda di bagian atas dan pandangan miring dari perangkat lain di bagian bawah). Jarak antara sirip di atas adalah puluhan nanometer.

Tetapi sebagai hasilnya, kami menemukan bahwa pendekatan dengan A ^III B ^Vada keterbatasan fisik mendasar. Dan juga, kemungkinan besar, akan terlalu mahal dan rumit untuk diintegrasikan dengan teknologi silikon yang ada. Jadi beberapa tahun yang lalu, tim saya di Universitas Purdue mulai bereksperimen dengan perangkat lain: transistor yang salurannya terbuat dari Jerman. Sejak itu, kami telah menunjukkan kontur pertama CMOS (semikonduktor oksida logam komplementer) [CMOS, semikonduktor oksida logam komplementer]. Tentang logika yang sama yang ada di dalam komputer modern, hanya terbuat dari germanium yang tumbuh di substrat silikon biasa. Kami juga menciptakan sejumlah arsitektur transistor berbeda dari bahan ini. Ini termasuk perangkat nanowire yang bisa menjadi langkah produksi berikutnya ketika transistor terbaik saat ini, FinFET,tidak akan mungkin lagi untuk mengurangi.

Dan yang lebih menarik, ternyata mengembalikan germanium ke kantor tidaklah sesulit kelihatannya. Transistor menggunakan kombinasi silikon dan germanium dalam saluran sudah dapat ditemukan dalam chip baru, dan mereka pertama kali muncul pada tahun 2015, dalam demonstrasi teknologi pembuatan chip masa depan dari IBM. Perkembangan ini mungkin merupakan langkah pertama dalam suatu industri yang berusaha untuk memasukkan pangsa Jerman yang semakin meningkat ke dalam saluran. Setelah beberapa tahun, kita mungkin menemukan fakta bahwa materi yang memberi kita transistor membantu untuk mentransfernya ke era kinerja luar biasa berikutnya.

Germanium pertama kali diisolasi dan ditemukan oleh ahli kimia Jerman Clemens Winkler pada akhir abad ke-19. Bahan tersebut dinamai sesuai nama asal ilmuwan, dan selalu dianggap sebagai arus yang buruk. Ini berubah selama Perang Dunia II, ketika sifat semikonduktor germanium ditemukan - yaitu, kemampuan untuk beralih antara melakukan dan memblokir arus. Pada tahun-tahun pascaperang, perangkat semikonduktor di Jerman berkembang pesat. Di Amerika Serikat, produksi, menanggapi permintaan pasar, meningkat dari beberapa ratus pound pada tahun 1946 menjadi 45 ton pada tahun 1960. Tetapi silikon menang; Ini telah menjadi bahan populer untuk chip logika dan memori.

Dan untuk dominasi silikon, ada alasan bagus. Pertama, lebih dan lebih murah. Silikon memiliki celah pita yang lebih lebar, penghalang energi yang harus diatasi untuk menciptakan konduktivitas. Semakin besar zona ini, semakin sulit arus bocor melalui perangkat pada saat yang tidak perlu dan membuang energi. Sebagai bonus, silikon memiliki konduktivitas termal yang lebih baik, yang membuatnya lebih mudah untuk menghilangkan panas sehingga sirkuit tidak terlalu panas.

Dengan semua kelebihannya, wajar untuk tertarik - mengapa kita berpikir untuk mengembalikan Jerman ke saluran. Jawabannya adalah mobilitas. Elektron di Jerman pada suhu kamar bergerak hampir tiga kali lebih mudah daripada di silikon. Dan lubang - tidak adanya elektron dalam materi, dianggap sebagai muatan positif - bergerak hampir empat kali lebih sukarela.


Osilator CMOS cincin sembilan langkah diperkenalkan pada tahun 2015.

Fakta bahwa elektron dan lubang sangat mobile di Jerman menjadikannya kandidat yang cocok untuk rangkaian CMOS. CMOS menggabungkan dua jenis transistor: p-channel FET (pFET), saluran yang berisi kelebihan lubang bebas, dan n-channel FET (nFET), yang memiliki kelebihan elektron. Semakin cepat mereka bergerak, semakin cepat sirkuit bekerja. Dan penurunan tegangan yang dibutuhkan untuk pergerakan mereka berarti penurunan konsumsi energi.

Tentu saja, germanium bukan satu-satunya bahan dengan mobilitas partikel seperti itu. Senyawa yang disebutkan sebelumnya A ^III B ^V, bahan-bahan seperti indium arsenide dan gallium arsenide juga memiliki mobilitas elektron yang tinggi. Elektron dalam indium arsenide hampir 30 kali lebih mobile daripada di silikon. Tetapi masalahnya adalah bahwa sifat ini tidak berlaku untuk lubang - mereka tidak lebih mobile daripada silikon. Dan keterbatasan ini membuat mustahil untuk membuat pFET kecepatan tinggi, dan kurangnya pFET kecepatan tinggi meniadakan penerimaan sirkuit CMOS cepat, karena mereka tidak dapat bekerja dengan perbedaan yang sangat besar dalam kecepatan nFET dan pFET.

Salah satu solusinya adalah mengambil yang terbaik dari setiap bahan. Para peneliti di banyak laboratorium, seperti Organisasi Eropa untuk Studi Semiconductors Imec dan Laboratorium Zurich IBM, menunjukkanmetode untuk membuat loop di mana saluran nFET dibuat dari senyawa A ^III B ^V dan pFET dari Jerman. Dan meskipun teknologi ini dapat memungkinkan Anda untuk membuat kontur yang sangat cepat, ini sangat menyulitkan produksi.

Karena itu, kami lebih suka pendekatan sederhana dengan Jerman. Saluran Germanium harus meningkatkan kecepatan, dan masalah produksi tidak akan begitu serius.

Bagaimana kabarmu di Jerman?

Properti	Silikon (si)	Germanium (Ge)	Gallium Arsenide (GaAs)	Indium Arsenide (InAs)	Unit
Area terbatas	1.12	0,66	1.42	0,35	eV
Mobilitas elektron pada 300 K	1,350	3,900	8.500	40.000	cm 2 / (V s)
Lubang mobilitas pada 300 K	450	1,900	400	500	cm 2 / (V s)
Kecepatan elektron maksimum yang mungkin	1	0,6	2	3.5	x10 7 cm / s
Medan listrik kritis	0,25	0,1	0,004	0,002	x10 6 V / cm
Konduktivitas termal	1.5	0,58	0,5	0,27	W / (cmK)

Untuk germanium - atau bahan alternatif apa pun - untuk diproduksi, Anda perlu menemukan cara untuk menambahkannya ke substrat silikon yang saat ini digunakan untuk membuat chip. Untungnya, ada banyak cara untuk menyimpan lapisan germanium pada substrat silikon, dari mana saluran kemudian dapat dibuat. Penggunaan lapisan tipis menghilangkan dua masalah utama Jerman - biaya tinggi dibandingkan dengan silikon, dan konduktivitas termal yang relatif buruk.

Tetapi untuk mengganti silikon dalam transistor, tidak cukup hanya dengan mendorong lapisan germanium yang tipis dan berkualitas tinggi. Saluran harus bekerja dengan sempurna dengan komponen lain dari transistor.

Chip CMOS modern di mana-mana menggunakan transistor berbasis MOS (logam-oksida-semikonduktor - transistor MOS; transistor efek medan logam-oksida-semikonduktor - MOSFET). Ini memiliki empat bagian dasar. Sumber dan tiriskan - titik awal dan akhir dari perpindahan saat ini; saluran yang menghubungkan mereka; rana yang berfungsi sebagai katup yang mengontrol keberadaan arus di saluran.

Pada kenyataannya, bahan-bahan lain hadir dalam transistor berkualitas tinggi. Salah satu yang paling penting adalah isolator gerbang, yang mencegah pemutusan gerbang dan saluran. Atom dalam semikonduktor seperti silikon, germanium dan senyawa A ^III B ^Vterletak di tiga dimensi. Permukaan datar yang idealnya tidak dapat dibuat, oleh karena itu, atom-atom di bagian atas saluran akan memiliki beberapa ikatan yang menggembung. Anda memerlukan isolator yang mengikat sebanyak mungkin ikatan ini, dan proses ini disebut pasivasi, atau etsa permukaan. Dalam kasus produksi yang buruk, Anda bisa mendapatkan saluran dengan "lubang listrik", penuh dengan tempat-tempat di mana pembawa muatan dapat berlama-lama untuk sementara, yang mengurangi mobilitas mereka dan, sebagai akibatnya, kecepatan perangkat.


Kiri: nFET dari komposisi A ^III B ^V , dan pFET dari Jerman, potongan kedua bahan yang ditanam pada substrat silikon dengan insulasi.
Kanan: kedua transistor terbuat dari germanium yang digabungkan ke media.

Untungnya, alam memasok silikon dengan isolator alami, yang bertepatan dengan struktur kristalnya: silikon dioksida (SiO ₂ ). Dan meskipun isolator yang lebih eksotik ditemukan dalam transistor modern, mereka masih memiliki lapisan tipis oksida ini, yang berfungsi untuk pasif saluran silikon. Karena silikon dan SiO ₂ memiliki struktur yang hampir sama, lapisan SiO _{2 yang} dibuat dengan baik mengikat 99.999 dari 100.000 ikatan bebas - dan ada sekitar sama banyaknya dengan silikon sentimeter persegi.

Gallium arsenide dan senyawa lain A ^III B ^Vmereka tidak memiliki oksida alami, tetapi Jerman memilikinya - oleh karena itu, secara teori, ia harus memiliki bahan yang ideal untuk pasivasi saluran. Masalahnya adalah germanium dioksida (GeO ₂ ) lebih lemah dari SiO ₂ dan dapat diserap dan dilarutkan oleh air yang digunakan untuk membersihkan substrat selama pembuatan chip. Lebih buruk lagi, proses pertumbuhan GeO ₂ sulit dikendalikan. Untuk perangkat yang ideal, lapisan GeO _{2 dengan} tebal 1-2 nm diperlukan , tetapi pada kenyataannya lebih sulit untuk membuat lapisan lebih tipis dari 20 nm.

Para peneliti telah mengeksplorasi berbagai alternatif. Seorang profesor di Stanford, Krishna Saraswat, dan rekan-rekannya, yang mendorong minat menggunakan germanium sebagai bahan alternatif di tahun 2000-an, pertama kali mempelajarizirconia, bahan dengan konstanta dielektrik tinggi dari jenis yang digunakan hari ini di transistor berkecepatan tinggi. Berdasarkan pekerjaan mereka, sebuah tim dari Imec di Belgia mempelajari apa yang dapat dilakukan dengan lapisan silikon ultra-tipis untuk meningkatkan antarmuka antara germanium dan bahan serupa.

Tapi pasifasi Jerman meningkat secara serius pada 2011 ketika tim Profesor Shinichi Takagi dari Universitas Tokyo berdemonstrasiSuatu metode untuk mengendalikan pertumbuhan isolator germanium. Pada awalnya, para peneliti menumbuhkan lapisan nanometer dari isolator lain, alumina, pada saluran germanium. Setelah itu, mereka ditempatkan di ruang oksigen. Sebagian oksigen melewati lapisan alumina ke germanium di bawah, dan bercampur dengannya, membentuk lapisan oksida tipis (senyawa germanium dengan oksigen, tetapi tidak secara teknis GeO ₂ ). Alumina tidak hanya membantu mengendalikan pertumbuhan, tetapi juga berfungsi sebagai lapisan pelindung untuk lapisan yang kurang stabil.


Saluran Nanowire

Beberapa tahun yang lalu, terinspirasi oleh penemuan ini dan diberi kompleksitas menciptakan pFET dengan saluran dari A ^III B ^V, grup saya di Purdue mulai mencari cara untuk membuat transistor pada saluran germanium. Kami mulai dengan penggunaan substrat germanium pada isolator yang dikembangkan oleh produsen Prancis Soitec. Ini adalah substrat silikon standar dengan lapisan isolasi di bawah lapisan germanium 100 nm.

Dengan substrat ini, Anda dapat membuat transistor di mana semua bagian standar - sumber, saluran, dan tiriskan - terbuat dari germanium. Pabrikan transistor tidak harus mengikuti desain ini, tetapi lebih mudah bagi kita untuk mempelajari sifat dasar perangkat germanium.

Salah satu hambatan pertama adalah perlawanan terhadap sumber dan pengeringan transistor dan elektroda logam yang menghubungkannya dengan dunia luar. Perlawanan muncul karena penghalang elektronik Schottky alami yang muncul pada titik kontak antara logam dan semikonduktor. Transistor silikon telah dioptimalkan tanpa lelah untuk meminimalkan penghalang ini, sehingga pembawa muatan dapat dengan mudah mengatasinya. Tetapi perangkat germanium membutuhkan solusi teknik yang licik. Karena nuansa struktur elektronik, lubang mudah berpindah dari logam ke germanium, tetapi elektron tidak terlalu baik. Ini berarti bahwa nFET, bergantung pada pergerakan elektron, akan memiliki resistansi yang sangat tinggi, panas dan kehilangan arus.

Cara standar untuk membuat penghalang lebih tipis adalah dengan menambahkan lebih banyak dopan ke sumber dan tiriskan. Fisika prosesnya kompleks, tetapi dapat direpresentasikan sebagai berikut: lebih banyak atom pengotor menghasilkan lebih banyak biaya gratis. Dengan banyak pembawa muatan gratis, interaksi listrik antara elektroda logam dan sumber semikonduktor dan tiriskan ditingkatkan. Ini membantu meningkatkan efek terowongan.

Sayangnya, teknologi ini bekerja lebih buruk dengan germanium dibandingkan dengan silikon. Bahan tersebut tidak tahan terhadap konsentrasi dopan yang besar. Tapi kita bisa menggunakan tempat-tempat di mana kepadatan pengotor maksimum.

Untuk melakukan ini, kami mengambil keuntungan dari fakta bahwa kotoran ditambahkan ke semikonduktor modern oleh medan listrik sangat tinggi yang mendorong ion ke dalam material. Beberapa atom ini berhenti dengan segera, sementara yang lain menembus lebih dalam. Akibatnya, Anda akan mendapatkan distribusi normal: konsentrasi atom pengotor pada kedalaman tertentu akan maksimal, dan kemudian akan berkurang saat bergerak dalam atau ke arah yang berlawanan. Jika kita memperdalam sumber dan mengalirkan elektroda ke semikonduktor, kita dapat menempatkannya di tempat konsentrasi tertinggi atom pengotor. Ini secara dramatis mengurangi masalah resistensi kontak.


Kontak dicelupkan ke kedalaman konsentrasi maksimum atom pengotor

Terlepas dari apakah pembuat chip akan menggunakan pendekatan ini untuk mengurangi hambatan Schottky di Jerman, ini adalah demonstrasi yang berguna dari kemampuannya. Pada awal penelitian kami, yang terbaik yang ditunjukkan germanium nFET adalah arus 100 μA untuk setiap μm lebar. Pada tahun 2014, di VLSI Technology and Circuits Symposium di Hawaii, kami melaporkan germanium nFET yang mampu mentransmisikan 10 kali lebih banyak saat ini, yang kira-kira sebanding dengan silikon. Enam bulan kemudian, kami menunjukkan sirkuit pertama yang mengandung germanium nFET dan pFET, prasyarat yang diperlukan untuk pembuatan chip logika modern.

Sejak itu, kami telah menggunakan germanium untuk membangun transistor yang lebih maju, seperti FinFET, yang canggih. Kami bahkan membuat transistor nanowire di Jerman, yang dalam beberapa tahun mendatang dapat menggantikan FinFET.

Perkembangan ini akan diperlukan agar Jerman dapat digunakan dalam produksi massal, karena dengan bantuan mereka dimungkinkan untuk lebih mengontrol saluran transistor. Karena zona terlarang kecil germanium, transistor semacam itu hanya membutuhkan seperempat energi yang diperlukan untuk beralih ke keadaan konduksi transistor silikon. Ini membuka peluang untuk operasi berenergi rendah, tetapi juga membuat kebocoran arus pada saat yang seharusnya tidak melakukan hal ini. Perangkat dengan kontrol yang lebih baik atas saluran akan memungkinkan produsen untuk menggunakan area terbatas kecil tanpa mengurangi kecepatan.

Kami memiliki awal yang baik, tetapi kami masih memiliki pekerjaan. Misalnya, eksperimen tambahan dengan media diperlukan, yang seharusnya menunjukkan transistor dengan saluran germanium berkualitas tinggi. Perbaikan desain juga diperlukan untuk mempercepat.

Tentu saja, germanium bukan satu-satunya pilihan untuk transistor masa depan. Para peneliti terus mempelajari formulasi A ^III B ^V , yang dapat digunakan baik dengan germanium dan secara terpisah. Jumlah kemungkinan peningkatan transistor sangat besar. Daftar ini termasuk transistor nanotube karbon , sakelar berorientasi vertikal, sirkuit tiga dimensi, saluran dari campuran germanium dan timah, transistor berdasarkan prinsip tunneling kuantum.

Di tahun-tahun mendatang, mungkin kita akan mengadaptasi beberapa teknologi yang terdaftar. Tetapi penambahan germanium - bahkan dalam campuran dengan silikon - adalah solusi yang akan memungkinkan produsen untuk terus meningkatkan transistor dalam waktu dekat. Germanium, bahan asli dari era semikonduktor, bisa menjadi obat mujarab untuk dekade berikutnya.

Source: https://habr.com/ru/post/id399717/