O germânio pode substituir o silício nos transistores e levá-los a um novo nível

Para demonstrar a operacionalidade do conceito, o autor e a equipe criaram substratos de germânio em um isolador para criar inversores contendo os primeiros transistores planares e depois os transistores FinFET.Há

quase 70 anos, dois físicos do Laboratório de Telefones Bell - John Bardin e Walter Brattain [John Bardeen e Walter Brattain] - pressionou dois contatos finos de ouro em uma placa de germânio e fez um terceiro contato a partir da parte inferior da placa. A corrente que passa por essa estrutura pode ser usada para transformar um sinal fraco em forte. Como resultado, o primeiro transistor apareceu - um amplificador e um interruptor, que, talvez, se tornaram a maior invenção do século XX. Graças à lei de Moore, o transistor desenvolveu computadores muito além do que parecia possível nos anos 50.

Apesar do papel estrelado do germânio no início da história dos transistores, ele logo foi substituído pelo silício. Mas agora, surpreendentemente, este material está pronto para retornar. Os líderes na fabricação de chips estão ponderando a substituição de componentes no coração do transistor, o canal condutor. A idéia é substituir o silicone por um material que possa conduzir melhor a corrente. A criação de transistores com esses canais pode ajudar os engenheiros a melhorar o desempenho do circuito em termos de velocidade e eficiência energética, o que significará o surgimento de computadores, smartphones e muitos outros dispositivos aprimorados nos próximos anos.

Durante muito tempo, o interesse em canais alternativos girou em torno dos compostos A ^III B ^V , como o arseneto de gálio, constituído por átomos localizados à esquerda e à direita do silício na tabela periódica. E eu participei desse estudo. Há oito anos, escrevi um artigo para esta revista , descrevendo o progresso alcançado na construção de transistores nessas conexões.


Dois transistores no inversor baseado em FinFET contêm canais de aleta que se destacam do plano do substrato (canais rosa na parte superior e uma vista chanfrada de outro conjunto na parte inferior). As distâncias entre as barbatanas acima são dezenas de nanômetros.

Mas, como resultado, descobrimos que a abordagem com A ^III B ^Vexistem limitações físicas fundamentais. E também, muito provavelmente, seria muito caro e complicado integrar-se à tecnologia de silício existente. Há alguns anos, minha equipe na Universidade Purdue começou a experimentar outro dispositivo: um transistor cujo canal é feito na Alemanha. Desde então, demonstramos os primeiros contornos do CMOS (óxido de metal-semicondutor complementar) [CMOS, óxido de metal-semicondutor complementar]. Sobre a mesma lógica existente nos computadores modernos, feita apenas de germânio cultivado em substratos comuns de silício. Também criamos várias arquiteturas de transistor diferentes a partir deste material. Isso inclui dispositivos de nanofios que podem ser a próxima etapa de produção quando os melhores transistores atuais, FinFET,não será mais possível reduzir ainda mais.

E o mais interessante é que retornar o germânio ao trabalho não é tão difícil quanto parece. Os transistores que usam uma combinação de silício e germânio no canal já podem ser encontrados nos novos chips, e eles apareceram pela primeira vez em 2015, em uma demonstração das futuras tecnologias de fabricação de chips da IBM. Esses desenvolvimentos podem ser o primeiro passo em um setor que procura incorporar uma parcela cada vez maior da Alemanha nos canais. Depois de alguns anos, podemos encontrar o fato de que o material que nos deu os transistores ajudou a transferi-los para a próxima era de excelente desempenho.

O germânio foi isolado e descoberto pelo químico alemão Clemens Winkler no final do século XIX. O material recebeu o nome da terra natal do cientista e sempre foi considerado uma corrente de condução fraca. Isso mudou durante a Segunda Guerra Mundial, quando as propriedades semicondutoras de germânio foram descobertas - ou seja, a capacidade de alternar entre corrente condutora e bloqueadora. Nos anos do pós-guerra, os dispositivos semicondutores na Alemanha se desenvolveram rapidamente. Nos Estados Unidos, a produção, respondendo às demandas do mercado, aumentou de algumas centenas de libras em 1946 para 45 toneladas em 1960. Mas o silício venceu; Tornou-se um material popular para chips de lógica e memória.

E pelo domínio do silício, existem boas razões. Em primeiro lugar, é mais e mais barato. O silício possui uma lacuna de banda maior, uma barreira energética que deve ser superada para criar condutividade. Quanto maior essa zona, mais difícil é a corrente vazar pelo dispositivo em um momento desnecessário e desperdiçar energia. Como bônus, o silício apresentava melhor condutividade térmica, o que tornava mais fácil remover o calor para que os circuitos não superaquecessem.

Dadas todas as vantagens, é natural se interessar - por que pensaríamos em devolver a Alemanha ao canal. A resposta é mobilidade. Na Alemanha, os elétrons à temperatura ambiente movem-se quase três vezes mais facilmente do que no silício. E os buracos - a ausência de um elétron no material, considerado uma carga positiva - movem-se quase quatro vezes mais de boa vontade.


O oscilador CMOS de nove etapas introduzido em 2015.

O fato de elétrons e orifícios serem tão móveis na Alemanha faz com que seja um candidato conveniente para circuitos CMOS. O CMOS combina dois tipos diferentes de transistores: FET de canal p (pFET), cujo canal contém excesso de orifícios livres e FET de canal n (nFET), que possui excesso de elétrons. Quanto mais rápido eles se movem, mais rápido os circuitos funcionam. E uma diminuição na tensão necessária para o movimento deles significa uma diminuição no consumo de energia.

Obviamente, o germânio não é o único material com essa mobilidade de partículas. Os compostos mencionados anteriormente A ^III B ^V, materiais como arseneto de índio e arseneto de gálio também possuem alta mobilidade eletrônica. Os elétrons no arseneto de índio são quase 30 vezes mais móveis que no silício. Mas o problema é que essa propriedade não se aplica a furos - eles não são muito mais móveis do que os de silício. E essa limitação torna impossível a criação de pFETs de alta velocidade, e a falta de pFETs de alta velocidade nega o recebimento de circuitos CMOS rápidos, pois eles não podem funcionar com uma diferença muito grande nas velocidades de nFETs e pFETs.

Uma solução é tirar o melhor de cada material. Pesquisadores de vários laboratórios, como a Organização Européia para o Estudo de Semicondutores Imec e o Zurich Laboratory IBM, mostrarammétodos para criar loops nos quais os canais nFET são feitos de compostos A ^III B ^V e pFET da Alemanha. E embora essa tecnologia permita criar contornos muito rápidos, ela complica bastante a produção.

Portanto, preferimos a abordagem simples com a Alemanha. Os canais de germânio devem aumentar a velocidade e os problemas de produção não serão tão graves.

Como você está na Alemanha

Propriedade	Silício (Si)	Germânio (Ge)	Arseneto de gálio (GaAs)	Arseneto de Índio (InAs)	Unidades
Área restrita	1,12	0,66	1,42	0,35	eV
Mobilidade eletrônica a 300 K	1.350	3.900	8.500	40.000	cm 2 / (V s)
Mobilidade do furo a 300 K	450	1.900	400	500	cm 2 / (V s)
Velocidade eletrônica máxima possível	1	0,6	2	3.5	x10 7 cm / s
Campo elétrico crítico	0,25	0,1	0,004	0,002	x10 6 V / cm
Condutividade térmica	1.5	0,58	0,5	0,27	W / (cmK)

Para que o germânio - ou qualquer outro material alternativo - entre em produção, você precisa encontrar uma maneira de adicioná-lo aos substratos de silício atualmente usados ​​para fazer chips. Felizmente, existem muitas maneiras de depositar uma camada de germânio em um substrato de silício, a partir do qual os canais podem ser feitos. O uso de uma camada fina elimina dois problemas principais da Alemanha - o alto custo comparado ao silício e a baixa condutividade térmica.

Mas para substituir o silício em um transistor, não basta apenas empurrar uma camada fina e de alta qualidade de germânio. O canal deve funcionar perfeitamente com outros componentes do transistor.

Os onipresentes chips CMOS modernos usam transistores MOS (transistor MOS de óxido de metal semicondutor - MOS; transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal - semicondutor - MOSFET). Possui quatro partes básicas. Fonte e dreno - o ponto inicial e final do deslocamento da corrente; o canal que os liga; um obturador que serve como uma válvula que controla a presença de corrente no canal.

Na realidade, outros ingredientes estão presentes em um transistor de alta qualidade. Um dos mais importantes é o isolador do portão, o que evita que o portão e o canal estejam em curto. Átomos em semicondutores, como silício, germânio e compostos A ^III B ^Vestão localizados em três dimensões. Uma superfície idealmente plana não pode ser feita, portanto, os átomos no topo do canal terão várias ligações protuberantes. Você precisa de um isolador que ligue o maior número possível dessas ligações, e esse processo é chamado de passivação ou gravação na superfície. No caso de fabricação deficiente, você pode obter um canal com "buracos elétricos", repletos de locais onde as transportadoras podem permanecer temporariamente, o que reduz sua mobilidade e, como resultado, a velocidade do dispositivo.


Esquerda: nFET das composições A ^III B ^V e pFET da Alemanha, pedaços de ambos os materiais cultivados em um substrato de silício com isolamento.
Direita: ambos os transistores são feitos de germânio acoplado a um substrato.

Felizmente, a natureza forneceu ao silício um isolador natural, que coincide bem com sua estrutura cristalina: dióxido de silício (SiO ₂ ). E embora mais isoladores exóticos sejam encontrados nos transistores modernos, eles ainda possuem uma fina camada desse óxido, que serve para passivar o canal de silício. Como o silício e o SiO ₂ têm estrutura estreita, uma camada de SiO ₂ bem feita liga 99.999 de 100.000 ligações livres - e existem quase tantas em um centímetro quadrado de silício.

Arseneto de gálio e outros compostos A ^III B ^Veles não têm óxidos naturais, mas a Alemanha possui - portanto, em teoria, deveria ter o material ideal para a passivação do canal. O problema é que o dióxido de germânio (GeO ₂ ) é mais fraco que o SiO ₂ e pode ser absorvido e dissolvido pela água usada para limpar os substratos durante a fabricação dos chips. Pior ainda, o processo de crescimento da GeO _{2 é} difícil de controlar. Para um dispositivo ideal, é necessária uma camada GeO ₂ de 1-2 nm de espessura, mas, na realidade, é mais difícil tornar a camada mais fina que 20 nm.

Pesquisadores têm explorado diferentes alternativas. Um professor de Stanford, Krishna Saraswat, e seus colegas, que estimularam o interesse em usar o germânio como material alternativo nos anos 2000, estudaram pela primeira vezzircônia, um material com alta constante dielétrica do tipo usado hoje em transistores de alta velocidade. Com base em seu trabalho, uma equipe da Imec na Bélgica estudou o que pode ser feito com uma camada de silicone ultrafina para melhorar a interface entre germânio e materiais similares.

Mas a passivação da Alemanha melhorou seriamente em 2011, quando a equipe do professor Shinichi Takagi, da Universidade de Tóquio, demonstrouUm método para controlar o crescimento de um isolador de germânio. A princípio, os pesquisadores cultivaram uma camada nanométrica de outro isolador, a alumina, em um canal de germânio. Depois disso, eles foram colocados em uma câmara de oxigênio. Parte do oxigênio passou por uma camada de alumina para o germânio abaixo e misturou-se a ela, formando uma fina camada de óxido (um composto de germânio com oxigênio, mas não tecnicamente GeO ₂ ). A alumina não apenas ajuda a controlar o crescimento, mas também serve como revestimento protetor para uma camada menos estável.


Canais Nanowire

Há alguns anos, inspirados por essa descoberta e dada a complexidade da criação de pFETs com canais de A ^III B ^V, meu grupo em Purdue começou a explorar maneiras de criar transistores nos canais de germânio. Começamos com o uso de substratos de germânio em um isolador desenvolvido pelo fabricante francês Soitec. Estes são substratos de silicone padrão com uma camada isolante abaixo de uma camada de germânio de 100 nm.

Com esses substratos, você pode criar transistores nos quais todas as peças padrão - a fonte, canal e dreno - são feitas de germânio. O fabricante do transistor não precisa seguir esse projeto, mas foi mais fácil estudar as propriedades básicas dos dispositivos de germânio.

Um dos primeiros obstáculos foi a luta contra a resistência entre a fonte e o dreno do transistor e os eletrodos de metal que os conectam ao mundo exterior. A resistência surge devido à barreira eletrônica natural de Schottky que aparece no ponto de contato entre o metal e o semicondutor. Os transistores de silício foram otimizados incansavelmente para minimizar essa barreira, para que os transportadores de carga possam superá-la facilmente. Mas um dispositivo de germânio requer soluções engenhosas de engenharia. Devido às nuances da estrutura eletrônica, os buracos movem-se facilmente do metal para o germânio, mas os elétrons não são muito bons. Isso significa que os nFETs, contando com o movimento dos elétrons, terão muito alta resistência, calor e perdas de corrente.

A maneira padrão de tornar a barreira mais fina é adicionar mais dopante à fonte e drenar. A física do processo é complexa, mas pode ser representada da seguinte forma: mais átomos de impureza introduzem mais cargas livres. Com uma abundância de portadores de carga gratuitos, a interação elétrica entre os eletrodos de metal e a fonte e o dreno do semicondutor é aprimorada. Isso ajuda a melhorar o efeito do túnel.

Infelizmente, essa tecnologia funciona pior com germânio do que com silício. O material não suporta grandes concentrações de dopantes. Mas podemos usar aqueles lugares onde a densidade de impurezas é máxima.

Para fazer isso, aproveitamos o fato de que as impurezas são adicionadas aos semicondutores modernos por campos elétricos ultra altos que empurram íons para o material. Alguns desses átomos param imediatamente, enquanto outros penetram mais fundo. Como resultado, você obterá uma distribuição normal: a concentração de átomos de impureza em uma determinada profundidade será máxima e, em seguida, diminuirá ao se mover profundamente ou na direção oposta. Se aprofundarmos a fonte e drenarmos os eletrodos em um semicondutor, podemos colocá-los nos locais de maior concentração de átomos de impureza. Isso reduz drasticamente o problema da resistência de contato.


Os contatos são imersos a uma profundidade da concentração máxima de átomos de impureza

Independentemente de os fabricantes de chips usarem essa abordagem para reduzir a barreira de Schottky na Alemanha, essa é uma demonstração útil de suas capacidades. No início do nosso estudo, o melhor que os nFETs de germânio mostraram foram correntes de 100 µA para cada µm de largura. Em 2014, no Simpósio de Tecnologia e Circuitos VLSI, no Havaí, relatamos nFETs de germânio capazes de transmitir 10 vezes mais corrente, o que é aproximadamente comparável ao silício. Seis meses depois, demonstramos os primeiros circuitos contendo germânio nFET e pFET, um pré-requisito necessário para a fabricação de chips lógicos modernos.

Desde então, usamos germânio para construir transistores mais avançados, como o FinFET, o estado da arte. Até fabricamos transistores de nanofios na Alemanha, que nos próximos anos poderão substituir o FinFET.

Esses desenvolvimentos serão necessários para que a Alemanha seja usada na produção em massa, pois com a ajuda deles é possível controlar melhor o canal do transistor. Devido à pequena zona proibida de germânio, esse transistor requer apenas um quarto da energia necessária para mudar para o estado condutor do transistor de silício. Isso abre oportunidades para operação com baixo consumo de energia, mas também torna mais provável o vazamento de corrente no momento em que não deveria ser mais provável. Um dispositivo com melhor controle sobre o canal permitirá que os fabricantes usem a pequena área restrita sem comprometer a velocidade.

Temos um bom começo, mas ainda temos trabalho. Por exemplo, são necessárias experiências adicionais com substratos, que devem mostrar transistores com canais de germânio de alta qualidade. Também são necessárias melhorias no design para acelerar.

Obviamente, o germânio não é a única opção para transistores do futuro. Os pesquisadores continuam estudando as formulações A ^III B ^V , que podem ser usadas tanto com germânio quanto separadamente. O número de possíveis melhorias no transistor é enorme. Esta lista inclui transistores de nanotubos de carbono , interruptores de orientação vertical, circuitos tridimensionais, canais de uma mistura de germânio e estanho, transistores baseados no princípio do tunelamento quântico.

Nos próximos anos, talvez adaptemos algumas das tecnologias listadas. Mas a adição de germânio - mesmo em uma mistura com silício - é uma solução que permitirá que os fabricantes continuem melhorando os transistores no futuro próximo. O germânio, o material original da era dos semicondutores, pode ser a panacéia para a próxima década.

Source: https://habr.com/ru/post/pt399717/