硅制晶体管、半导体的时代即将过去

发布时间：

2022-02-24 09:02

　　生意社12月1日讯　在未来的几十年里，芯片制造商将不能通过把更小的晶体管集成到一块芯片上，来制造出速度更快的硅制芯片，因为太小的硅制晶体管容易破裂，同时非常昂贵。
　　人们研究的材料想要超越硅，就需要克服许多挑战。如今，加州大学伯克利分校的研究人员找到一种方法，可以跨越这个障碍：他们已经开发出一种可靠的方法，可以制造出快速、低功耗的纳米级晶体管，所用的是一种化合物半导体材料。他们的方法更简单，并且肯定更便宜，胜过现在的方法。
　　相对于硅来说，化合物半导体拥有更好的电气性能，这意味着用它制成的晶体管能耗更低，速度更快。这些材料已经出现于一些昂贵的特殊应用，比如军事通信设备，这些材料将有助于完善更具有非凡前景的硅替代品，比如石墨和碳纳米管。
　　但是，用化合物半导体材料制成的晶片也很脆弱、昂贵，“只有在不必考虑成本时，才可以”，加州大学伯克利分校的电气工程和计算机科学副教授阿里·加维(AliJavey)说，例如，化合物半导体在市场上出售的，都是用于昂贵的军用通信芯片。
　　研究人员相信，他们能够克服这个脆弱性和高价格，只需在培育化合物半导体晶体管时，把它们放在支持性的硅晶片上就行，这种方法可以兼容现有的芯片制造设施。
　　然而，化合物半导体却不能在硅表面生长，两种材料的晶体结构之间存在不匹配，就使这难以做好。不过伯克利研究组已经表明，由化合物半导体制成的晶体管，倒是可以在另一种表面上生长，然后，再转移到硅片上。“这是一个似乎可行的方法，用来解决的实际困难，是，化合物半导体难以生长，”麻省理工学院电气工程和计算机科学教授耶稣·德尔·阿拉莫(JesúsdelAlamo)说道，他并没有参与加维的研究工作。
　　伯克利的研究人员展示的技术，是使用砷化铟(indiumarsenide)。他们培育这种材料，是在在锑化镓(galliumantimonide)晶片上，保护这一晶片的，是保护性的顶层，用的是铝制锑化镓。该晶片可以培育高质量的结晶状砷化铟薄膜，保护层随后被化学蚀刻，会刻出纳米级的砷化铟条带。研究人员用橡皮图章拿起纳米带，把它们放在硅片上，硅片会为砷化铟提供结构支撑。材料表面涂有二氧化硅，用以充当晶体管的绝缘体。晶体管要完工，需要放下金属闸极(metalgates)，让电流可以进出。
　　加维的研究小组描述了这种方法制备的砷化铟晶体管的性能，论文发表在上周的《自然》在线杂志上。这些晶体管，长约500纳米，性能如同化合物半导体晶体管，后者的制备使用了更为复杂的技术，加维说。伯克利研究组的砷化铟晶体管远远快于硅晶体管，同时功耗更低，只需要0.5伏，而硅需要3.3伏。而它们的跨导性(对电压变化的适应性)是同等尺度硅晶体管的8倍。“考虑到这些装置如何制备，这一性能非常不错”，麻省理工学院的电气工程教授德米特里·安东尼雅迪斯(DmitriAntoniadis)说。
　　加维指出，这一工序是用于制造砷化铟晶体管的，类似的工序用于制造一类芯片，称为“硅绝缘体(SOI)”电子产品，这需要把一个硅片安放到另一种材料的晶片上，才可制作。出于这个原因，他给它们命名为绝缘X(XOI:任何材料在绝缘体上)。
　　这种工序制造的绝缘X装置，是晶片级的，要比SOI更复杂，因为它需要整合几种不同类型的材料，制备所用晶片也有不同尺寸，英特尔元器件研发总监迈克尔·梅伯里(MichaelMayberry)说，“有多种形式，就是说这种工序会出的错”，他说。在过去的三年里，英特尔一直致力于研究一些方法，以培育化合物半导体，而且是直接在硅晶片上培育，他们的方法是在它们之间培育一个缓冲层。到目前为止，他们不得不用很厚的缓冲层，这就影响了晶体管的性能，但梅伯里说，他们已经证明，这个方法是行得通的。
　　梅伯里认为，加维的工作，价值在于它表明，砷化铟晶体管性能良好，在缩小到纳米尺寸时就是这样。“我们并不清楚，这些装置性能如何，”他说，理论家们做了猜测，但在纳米尺寸，意想不到的量子效应会突然出现。
　　加维计划制造出更小的晶体管，来看看它们是否能保持性能。麻省理工学院德尔?阿拉莫和安东尼雅迪斯也正在试图确定化合物半导体晶体管的最终缩放比例，目前他们两人已经制造出30纳米长的晶体管，“我希望看到，这些材料可以达到怎样的完美，而且是在微小的尺度，”安东尼雅迪斯说。