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硅制晶體管、半導(dǎo)體的時代即將過去

發(fā)布時間:

2022-02-24 09:02

  生意社12月1日訊 在未來的幾十年里,芯片制造商將不能通過把更小的晶體管集成到一塊芯片上,來制造出速度更快的硅制芯片,因為太小的硅制晶體管容易破裂,同時非常昂貴。
  人們研究的材料想要超越硅,就需要克服許多挑戰(zhàn)。如今,加州大學(xué)伯克利分校的研究人員找到一種方法,可以跨越這個障礙:他們已經(jīng)開發(fā)出一種可靠的方法,可以制造出快速、低功耗的納米級晶體管,所用的是一種化合物半導(dǎo)體材料。他們的方法更簡單,并且肯定更便宜,勝過現(xiàn)在的方法。
  相對于硅來說,化合物半導(dǎo)體擁有更好的電氣性能,這意味著用它制成的晶體管能耗更低,速度更快。這些材料已經(jīng)出現(xiàn)于一些昂貴的特殊應(yīng)用,比如軍事通信設(shè)備,這些材料將有助于完善更具有非凡前景的硅替代品,比如石墨和碳納米管。
  但是,用化合物半導(dǎo)體材料制成的晶片也很脆弱、昂貴,“只有在不必考慮成本時,才可以”,加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程和計算機科學(xué)副教授阿里·加維(AliJavey)說,例如,化合物半導(dǎo)體在市場上出售的,都是用于昂貴的軍用通信芯片。
  研究人員相信,他們能夠克服這個脆弱性和高價格,只需在培育化合物半導(dǎo)體晶體管時,把它們放在支持性的硅晶片上就行,這種方法可以兼容現(xiàn)有的芯片制造設(shè)施。
  然而,化合物半導(dǎo)體卻不能在硅表面生長,兩種材料的晶體結(jié)構(gòu)之間存在不匹配,就使這難以做好。不過伯克利研究組已經(jīng)表明,由化合物半導(dǎo)體制成的晶體管,倒是可以在另一種表面上生長,然后,再轉(zhuǎn)移到硅片上。“這是一個似乎可行的方法,用來解決的實際困難,是,化合物半導(dǎo)體難以生長,”麻省理工學(xué)院電氣工程和計算機科學(xué)教授耶穌·德爾·阿拉莫(JesúsdelAlamo)說道,他并沒有參與加維的研究工作。
  伯克利的研究人員展示的技術(shù),是使用砷化銦(indiumarsenide)。他們培育這種材料,是在在銻化鎵(galliumantimonide)晶片上,保護這一晶片的,是保護性的頂層,用的是鋁制銻化鎵。該晶片可以培育高質(zhì)量的結(jié)晶狀砷化銦薄膜,保護層隨后被化學(xué)蝕刻,會刻出納米級的砷化銦條帶。研究人員用橡皮圖章拿起納米帶,把它們放在硅片上,硅片會為砷化銦提供結(jié)構(gòu)支撐。材料表面涂有二氧化硅,用以充當(dāng)晶體管的絕緣體。晶體管要完工,需要放下金屬閘極(metalgates),讓電流可以進出。
  加維的研究小組描述了這種方法制備的砷化銦晶體管的性能,論文發(fā)表在上周的《自然》在線雜志上。這些晶體管,長約500納米,性能如同化合物半導(dǎo)體晶體管,后者的制備使用了更為復(fù)雜的技術(shù),加維說。伯克利研究組的砷化銦晶體管遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于硅晶體管,同時功耗更低,只需要0.5伏,而硅需要3.3伏。而它們的跨導(dǎo)性(對電壓變化的適應(yīng)性)是同等尺度硅晶體管的8倍。“考慮到這些裝置如何制備,這一性能非常不錯”,麻省理工學(xué)院的電氣工程教授德米特里·安東尼雅迪斯(DmitriAntoniadis)說。
  加維指出,這一工序是用于制造砷化銦晶體管的,類似的工序用于制造一類芯片,稱為“硅絕緣體(SOI)”電子產(chǎn)品,這需要把一個硅片安放到另一種材料的晶片上,才可制作。出于這個原因,他給它們命名為絕緣X(XOI:任何材料在絕緣體上)。
  這種工序制造的絕緣X裝置,是晶片級的,要比SOI更復(fù)雜,因為它需要整合幾種不同類型的材料,制備所用晶片也有不同尺寸,英特爾元器件研發(fā)總監(jiān)邁克爾·梅伯里(MichaelMayberry)說,“有多種形式,就是說這種工序會出的錯”,他說。在過去的三年里,英特爾一直致力于研究一些方法,以培育化合物半導(dǎo)體,而且是直接在硅晶片上培育,他們的方法是在它們之間培育一個緩沖層。到目前為止,他們不得不用很厚的緩沖層,這就影響了晶體管的性能,但梅伯里說,他們已經(jīng)證明,這個方法是行得通的。
  梅伯里認(rèn)為,加維的工作,價值在于它表明,砷化銦晶體管性能良好,在縮小到納米尺寸時就是這樣。“我們并不清楚,這些裝置性能如何,”他說,理論家們做了猜測,但在納米尺寸,意想不到的量子效應(yīng)會突然出現(xiàn)。
  加維計劃制造出更小的晶體管,來看看它們是否能保持性能。麻省理工學(xué)院德爾?阿拉莫和安東尼雅迪斯也正在試圖確定化合物半導(dǎo)體晶體管的最終縮放比例,目前他們兩人已經(jīng)制造出30納米長的晶體管,“我希望看到,這些材料可以達到怎樣的完美,而且是在微小的尺度,”安東尼雅迪斯說。

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