微小的化合物半导体晶体管可能挑战硅的主导地位

微小的化合物半导体晶体管可能挑战硅的主导地位

文章类型:行业新闻 来自:Microelectronics International,第 30 卷,第 2 期

麻省理工学院的研究人员开发出有史以来最小的砷化铟镓晶体管

硅的王冠正受到威胁:半导体作为计算机和智能设备微芯片之王的日子可能屈指可数,这要归功于由竞争对手材料砷化铟镓制成的最小晶体管的发展。

这种复合晶体管由麻省理工学院微系统技术实验室的一个团队制造,尽管长度仅为 22 纳米(十亿分之一米),但性能良好。 麻省理工学院电气工程和计算机科学系 (EECS) 的 Donner 科学教授、联合开发者 Jesús del Alamo 说,这使得它成为最终在计算设备中取代硅的有希望的候选者,他与 EECS 研究生林建干一起建造了晶体管和 Dimitri Antoniadis,Ray and Maria Stata 电气工程教授。

为了跟上我们对更快、更智能的计算设备的需求,晶体管的尺寸不断缩小,从而可以将越来越多的晶体管压缩到微芯片上。 “你可以在芯片上封装的晶体管越多,芯片的功能就越强大,芯片将执行的功能就越多,”德尔阿拉莫说。

但随着硅晶体管缩小到纳米级,这些设备可以产生的电流量也在缩小,限制了它们的运行速度。 这导致人们担心摩尔定律——英特尔创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)预测微芯片上的晶体管数量将每两年翻一番——可能即将结束,德尔阿拉莫说。

为了保持摩尔定律的生命力,一段时间以来,研究人员一直在研究硅的替代品,即使在这些较小的规模下运行,它也可能产生更大的电流。 德尔阿拉莫说,其中一种材料是砷化铟镓化合物,它已经用于光纤通信和雷达技术,并且已知具有极好的电性能。 但是,尽管最近在处理这种材料方面取得了进展,使其能够以与硅类似的方式形成晶体管,但还没有人能够生产出足够小的设备,以将更多的数量封装到未来的微芯片中。

现在,del Alamo、Antoniadis 和 Lin 已经表明,使用这种材料可以构建纳米尺寸的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)——这是微处理器等逻辑应用中最常用的类型。 “我们已经证明,您可以制造出具有出色逻辑特性的极小的砷化铟镓 MOSFET,这有望使摩尔定律超越硅的范围,”del Alamo 说。

晶体管由三个电极组成:栅极、源极和漏极,栅极控制其他两个电极之间的电子流动。 由于这些微型晶体管中的空间非常紧凑,因此三个电极必须彼此非常接近地放置,即使是复杂的工具也无法达到这样的精度水平。 相反,该团队允许栅极在其他两个电极之间“自我对齐”。

研究人员首先使用分子束外延生长了一层薄薄的材料,这是一种广泛用于半导体行业的工艺,在该工艺中,铟、镓和砷的蒸发原子在真空中相互反应形成单晶化合物。 然后,该团队沉积一层钼作为源极和漏极接触金属。 然后,他们使用聚焦的电子束在该基板上“绘制”非常精细的图案——另一种成熟的制造技术,称为电子束光刻。

然后蚀刻掉不需要的材料区域,并将栅极氧化物沉积在微小的间隙上。 最后,蒸发的钼在表面被烧制,形成栅极,紧紧地挤在另外两个电极之间,del Alamo 说。 “通过蚀刻和沉积的结合,我们可以让栅极依偎在[电极之间],周围有微小的间隙,”他说。

尽管该团队应用的许多技术已经用于硅制造,但它们很少用于制造化合物半导体晶体管。 这部分是因为在光纤通信等应用中,空间不是问题。 “但是当你谈论将数十亿个微型晶体管集成到芯片上时,我们需要完全重新设计化合物半导体晶体管的制造技术,使其看起来更像硅晶体管,”德尔阿拉莫说。

他们的下一步将是通过消除设备内不需要的电阻来进一步提高晶体管的电气性能,从而提高晶体管的速度。 一旦他们实现了这一目标,他们将尝试进一步缩小器件,最终目标是将晶体管的尺寸减小到栅极长度低于 10 nm。

该研究由 DARPA 和半导体研究公司资助。

 

Sumber: 微型化合物半导体晶体管或挑战硅? 翡翠洞察力

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