微型化合物半导体晶体管或将挑战硅半导体的主导地位 | Emerald Insight

微型化合物半导体晶体管或将挑战硅半导体的主导地位

文章类型：行业新闻 来源：《国际微电子》杂志，第30卷，第2期

麻省理工学院的研究人员开发出了迄今为止最小的铟镓砷晶体管

硅的王冠正受到威胁：由于用竞争材料砷化铟镓制造出了有史以来最小的晶体管，硅作为计算机和智能设备微芯片之王的时代可能屈指可数了。

由麻省理工学院微系统技术实验室的一个团队研制的这种化合物晶体管，尽管长度只有22纳米（十亿分之一米），性能却十分出色。该晶体管的共同研发者、麻省理工学院电子工程与计算机科学系（EECS）唐纳科学教授赫苏斯·德尔·阿拉莫（Jesús del Alamo）表示，这使其成为最终取代硅基器件用于计算设备的理想候选材料。德尔·阿拉莫与EECS研究生林建谦（Jianqian Lin）以及雷和玛丽亚·斯塔塔电子工程教授迪米特里·安东尼阿迪斯（Dimitri Antoniadis）共同研制了这种晶体管。

为了满足我们对速度更快、更智能的计算设备的需求，晶体管的尺寸不断缩小，使得越来越多的晶体管能够被集成到微芯片上。“芯片上集成的晶体管越多，芯片的性能就越强大，能够执行的功能也就越多，”德尔阿拉莫说道。

但随着硅晶体管尺寸缩小到纳米级，其产生的电流也随之减少，从而限制了其运行速度。德尔阿拉莫表示，这引发了人们的担忧，即摩尔定律——英特尔创始人戈登·摩尔预测微芯片上的晶体管数量每两年翻一番——可能即将终结。

为了延续摩尔定律，研究人员一直在探索硅的替代品，这些替代品即使在更小的尺度下也能产生更大的电流。德尔阿拉莫表示，其中一种材料是砷化铟镓化合物，它已被用于光纤通信和雷达技术，并以其优异的电学性能而闻名。尽管近年来在处理这种材料方面取得了进展，使其能够像硅一样制成晶体管，但目前还没有人能够制造出足够小的器件，以便在未来的微芯片中集成更多数量。

德尔·阿拉莫、安东尼阿迪斯和林已经证明，利用这种材料可以制造纳米级金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）——这种晶体管最常用于微处理器等逻辑应用。“我们已经证明，可以制造出尺寸极小、逻辑特性优异的砷化铟镓MOSFET，这有望使摩尔定律超越硅的范畴，”德尔·阿拉莫说道。

晶体管由三个电极组成：栅极、源极和漏极，其中栅极控制着电子在另外两个电极之间的流动。由于这些微型晶体管内部空间极其有限，这三个电极必须彼此非常靠近，即使是最先进的工具也无法达到如此高的精度。因此，研究团队采用了一种名为“自对准”的方案，使栅极能够自动对准另外两个电极。

研究人员首先利用分子束外延技术生长一层薄薄的材料层。分子束外延是一种广泛应用于半导体行业的工艺，其原理是将蒸发的铟、镓和砷原子在真空中相互反应，形成单晶化合物。然后，研究团队沉积一层钼作为源极和漏极的接触金属。接下来，他们使用聚焦电子束在衬底上“绘制”出极其精细的图案——这是一种成熟的制造技术，称为电子束光刻。

然后，去除不需要的材料区域，并将栅极氧化层沉积在微小的间隙上。最后，在表面烧结蒸发钼，形成栅极，紧密地夹在另外两个电极之间，德尔阿拉莫说道。“通过蚀刻和沉积相结合的方法，我们可以使栅极紧密地嵌入电极之间，周围留有微小的间隙，”他说道。

尽管该团队应用的许多技术已应用于硅制造领域，但很少用于制造化合物半导体晶体管。部分原因是，在光纤通信等应用中，空间限制较小。“但如果要将数十亿个微型晶体管集成到芯片上，我们就需要彻底改造化合物半导体晶体管的制造技术，使其更接近硅晶体管的制造工艺，”德尔阿拉莫说道。

他们的下一步工作是进一步提升晶体管的电性能，从而提高其速度，具体方法是消除器件内部不必要的电阻。一旦实现这一点，他们将尝试进一步缩小器件尺寸，最终目标是将晶体管的栅极长度缩小到10纳米以下。

该研究由美国国防高级研究计划局 (DARPA) 和半导体研究公司 (SIC) 资助。