硅制晶體管、半導體的時代即將過去

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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。如今，加州大學伯克利分校的研究人員找到一種方法，可以跨越這個障礙：他們已經開發出一種可靠的方法，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體材料。他們的方法更簡單，并且肯定更便宜，勝過現在的方法。
　　相對于硅來說，化合物半導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。這些材料已經出現于一些昂貴的特殊應用，比如軍事通信設備，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”，加州大學伯克利分校的電氣工程和計算機科學副教授阿里·加維(AliJavey)說，例如，化合物半導體在市場上出售的，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有的芯片制造設施。
　　然而，化合物半導體卻不能在硅表面生長，兩種材料的晶體結構之間存在不匹配，就使這難以做好。不過伯克利研究組已經表明，由化合物半導體制成的晶體管，倒是可以在另一種表面上生長，然后，再轉移到硅片上。“這是一個似乎可行的方法，用來解決的實際困難，是，化合物半導體難以生長，”麻省理工學院電氣工程和計算機科學教授耶穌·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，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量的結晶狀砷化銦薄膜，保護層隨后被化學蝕刻，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構支撐。材料表面涂有二氧化硅，用以充當晶體管的絕緣體。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體晶體管，后者的制備使用了更為復雜的技術，加維說。伯克利研究組的砷化銦晶體管遠遠快于硅晶體管，同時功耗更低，只需要0.5伏，而硅需要3.3伏。而它們的跨導性(對電壓變化的適應性)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，英特爾元器件研發總監邁克爾·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，他們已經證明，這個方法是行得通的。
　　梅伯里認為，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會突然出現。
　　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體晶體管的最終縮放比例，目前他們兩人已經制造出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。