微小的化合物半導體晶體管可能挑戰矽的主導地位
微小的化合物半導體晶體管可能挑戰矽的主導地位
文章類型：行業新聞 來自：Microelectronics International，第 30 卷，第 2 期
麻省理工學院的研究人員開發出有史以來最小的砷化銦鎵晶體管
矽的王冠正受到威脅：半導體作為計算機和智能設備微芯片之王的日子可能屈指可數，這要歸功於由競爭對手材料砷化銦鎵製成的最小晶體管的發展。
這種複合晶體管由麻省理工學院微系統技術實驗室的一個團隊製造，儘管長度僅為 22 納米（十億分之一米），但性能良好。 麻省理工學院電氣工程和計算機科學系 (EECS) 的 Donner 科學教授、聯合開發者 Jesús del Alamo 說，這使得它成為最終在計算設備中取代矽的有希望的候選者，他與 EECS 研究生林建乾一起建造了晶體管和 Dimitri Antoniadis，Ray and Maria Stata 電氣工程教授。
為了跟上我們對更快、更智能的計算設備的需求，晶體管的尺寸不斷縮小，從而可以將越來越多的晶體管壓縮到微芯片上。 “你可以在芯片上封裝的晶體管越多，芯片的功能就越強大，芯片將執行的功能就越多，”德爾阿拉莫說。
但隨著矽晶體管縮小到納米級，這些設備可以產生的電流量也在縮小，限制了它們的運行速度。 這導致人們擔心摩爾定律——英特爾創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）預測微芯片上的晶體管數量將每兩年翻一番——可能即將結束，德爾阿拉莫說。
為了保持摩爾定律的生命力，一段時間以來，研究人員一直在研究矽的替代品，即使在這些較小的規模下運行，它也可能產生更大的電流。 德爾阿拉莫說，其中一種材料是砷化銦鎵化合物，它已經用於光纖通信和雷達技術，並且已知具有極好的電性能。 但是，儘管最近在處理這種材料方面取得了進展，使其能夠以與硅類似的方式形成晶體管，但還沒有人能夠生產出足夠小的設備，以將更多的數量封裝到未來的微芯片中。
現在，del Alamo、Antoniadis 和 Lin 已經表明，使用這種材料可以構建納米尺寸的金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET)——這是微處理器等邏輯應用中最常用的類型。 “我們已經證明，您可以製造出具有出色邏輯特性的極小的砷化銦鎵 MOSFET，這有望使摩爾定律超越矽的範圍，”del Alamo 說。
晶體管由三個電極組成：柵極、源極和漏極，柵極控制其他兩個電極之間的電子流動。 由於這些微型晶體管中的空間非常緊湊，因此三個電極必須彼此非常接近地放置，即使是複雜的工具也無法達到這樣的精度水平。 相反，該團隊允許柵極在其他兩個電極之間“自我對齊”。
研究人員首先使用分子束外延生長了一層薄薄的材料，這是一種廣泛用於半導體行業的工藝，在該工藝中，銦、鎵和砷的蒸發原子在真空中相互反應形成單晶化合物。 然後，該團隊沉積一層鉬作為源極和漏極接觸金屬。 然後，他們使用聚焦的電子束在該基板上“繪製”非常精細的圖案——另一種成熟的製造技術，稱為電子束光刻。
然後蝕刻掉不需要的材料區域，並將柵極氧化物沉積在微小的間隙上。 最後，蒸發的鉬在表面被燒製，形成柵極，緊緊地擠在另外兩個電極之間，del Alamo 說。 “通過蝕刻和沈積的結合，我們可以讓柵極依偎在[電極之間]，周圍有微小的間隙，”他說。
儘管該團隊應用的許多技術已經用於矽製造，但它們很少用於製造化合物半導體晶體管。 這部分是因為在光纖通信等應用中，空間不是問題。 “但是當你談論將數十億個微型晶體管集成到芯片上時，我們需要完全重新設計化合物半導體晶體管的製造技術，使其看起來更像矽晶體管，”德爾阿拉莫說。
他們的下一步將是通過消除設備內不需要的電阻來進一步提高晶體管的電氣性能，從而提高晶體管的速度。 一旦他們實現了這一目標，他們將嘗試進一步縮小器件，最終目標是將晶體管的尺寸減小到柵極長度低於 10 nm。
該研究由 DARPA 和半導體研究公司資助。
