Liten sammansatt halvledartransistor kan utmana kisel dominans | Emerald Insight

En liten sammansatt halvledartransistor kan utmana kisel dominans

Artikeltyp: Branschnyheter Från: Microelectronics International, volym 30, nummer 2

MIT-forskare utvecklar den minsta indiumgalliumarsenidtransistorn som någonsin byggts

Silikonets krona är hotad: halvledarnas dagar som kungen av mikrochips för datorer och smarta enheter kunde räknas, tack vare utvecklingen av den minsta transistor som någonsin byggts av ett rivaliserande material, indiumgalliumarsenid.

Den sammansatta transistorn, byggd av ett team i MIT:s Microsystems Technology Laboratories, presterar bra trots att den bara är 22 nm (miljarddelar av en meter) lång. Detta gör det till en lovande kandidat att så småningom ersätta kisel i datorenheter, säger medutvecklaren Jesús del Alamo, Donner professor i naturvetenskap vid MIT:s avdelning för elektroteknik och datavetenskap (EECS), som byggde transistorn med EECS doktorand Jianqian Lin och Dimitri Antoniadis, Ray och Maria Stata professor i elektroteknik.

För att hålla jämna steg med vår efterfrågan på allt snabbare och smartare datorenheter, krymper storleken på transistorer kontinuerligt, vilket gör att ett ökande antal av dem kan klämmas på mikrochips. "Ju fler transistorer du kan packa på ett chip, desto kraftfullare kommer chipet att bli, och desto fler funktioner kommer chipet att utföra", säger del Alamo.

Men eftersom kiseltransistorer reduceras till nanometerskalan, krymper också mängden ström som kan produceras av enheterna, vilket begränsar deras driftshastighet. Detta har lett till farhågor om att Moores lag – förutsägelsen av Intels grundare Gordon Moore att antalet transistorer på mikrochips kommer att fördubblas vartannat år – kan vara på väg att upphöra, säger del Alamo.

För att hålla Moores lag vid liv har forskare under en tid undersökt alternativ till kisel, som potentiellt skulle kunna producera en större ström även när de arbetar i dessa mindre skalor. Ett sådant material är föreningen indiumgalliumarsenid, som redan används i fiberoptisk kommunikation och radarteknik, och som är känd för att ha extremt goda elektriska egenskaper, säger del Alamo. Men trots de senaste framstegen när det gäller att behandla materialet så att det kan formas till en transistor på ett liknande sätt som kisel, har ingen ännu kunnat producera enheter som är tillräckligt små för att packas i allt större antal i morgondagens mikrochips.

Nu har del Alamo, Antoniadis och Lin visat att det är möjligt att bygga en nanometerstor metalloxidhalvledarfälteffekttransistor (MOSFET) – den typ som oftast används i logiska tillämpningar som mikroprocessorer – med hjälp av materialet. "Vi har visat att du kan göra extremt små indiumgalliumarsenid-MOSFETs med utmärkta logiska egenskaper, vilket lovar att ta Moores lag utom räckhåll för kisel", säger del Alamo.

Transistorer består av tre elektroder: gate, source och drain, med gate som styr flödet av elektroner mellan de andra två. Eftersom utrymmet i dessa små transistorer är så snävt måste de tre elektroderna placeras extremt nära varandra, en precisionsnivå som skulle vara omöjlig för även sofistikerade verktyg att uppnå. Istället låter teamet grinden "självjustera" sig själv mellan de andra två elektroderna.

Forskarna odlar först ett tunt lager av materialet med hjälp av molekylär strålepitaxi, en process som ofta används i halvledarindustrin där förångade atomer av indium, gallium och arsenik reagerar med varandra i ett vakuum för att bilda en enkristallförening. Teamet lägger sedan ett lager av molybden som källa och avloppskontaktmetall. De "ritar" sedan ett extremt fint mönster på detta substrat med hjälp av en fokuserad stråle av elektroner - en annan väletablerad tillverkningsteknik känd som elektronstrålelitografi.

Oönskade materialområden etsas sedan bort och gateoxiden avsätts på det lilla gapet. Slutligen avfyras förångat molybden på ytan, där det bildar porten, tätt klämd mellan de två andra elektroderna, säger del Alamo. "Genom en kombination av etsning och deponering kan vi få grinden inbäddad [mellan elektroderna] med små luckor runt den", säger han.

Även om många av de tekniker som används av teamet redan används i kiseltillverkning, har de endast sällan använts för att göra sammansatta halvledartransistorer. Detta beror delvis på att i applikationer som fiberoptisk kommunikation är utrymmet mindre problem. "Men när du pratar om att integrera miljarder små transistorer på ett chip, då måste vi helt omformulera tillverkningstekniken för sammansatta halvledartransistorer för att se mycket mer ut som kiseltransistorer," säger del Alamo.

Deras nästa steg blir att arbeta med att ytterligare förbättra transistorns elektriska prestanda – och därmed hastigheten – genom att eliminera oönskat motstånd i enheten. När de väl har uppnått detta kommer de att försöka krympa enheten ytterligare, med det yttersta målet att minska storleken på deras transistor till under 10 nm i grindlängd.

Forskningen finansierades av DARPA och Semiconductor Research Corporation.