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硅制晶體管、半導(dǎo)體的時(shí)代即將過去
發(fā)布時(shí)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?yàn)樘〉墓柚凭w管容易破裂，同時(shí)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(gè)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(jí)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(jiǎn)單，并且肯定更便宜，勝過現(xiàn)在的方法。
相對(duì)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(shí)，才可以”，加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授阿里·加維(AliJavey)說，例如，化合物半導(dǎo)體在市場(chǎng)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(gè)脆弱性和高價(jià)格，只需在培育化合物半導(dǎo)體晶體管時(shí)，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(zhǎng)，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(zhǎng)，然后，再轉(zhuǎn)移到硅片上。“這是一個(gè)似乎可行的方法，用來解決的實(shí)際困難，是，化合物半導(dǎo)體難以生長(zhǎng)，”麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)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(hù)這一晶片的，是保護(hù)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(hù)層隨后被化學(xué)蝕刻，會(huì)刻出納米級(jí)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(huì)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(jìn)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(zhǎng)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(shí)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(duì)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(cuò)”，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(gè)硅片安放到另一種材料的晶片上，才可制作。出于這個(gè)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(jí)的，要比SOI更復(fù)雜，因?yàn)樗枰蠋追N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(huì)出的錯(cuò)”，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(gè)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(gè)方法是行得通的。
梅伯里認(rèn)為，加維的工作，價(jià)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(shí)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(cè)，但在納米尺寸，意想不到的量子效應(yīng)會(huì)突然出現(xiàn)。
加維計(jì)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(zhǎng)的晶體管，“我希望看到，這些材料可以達(dá)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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