Quali sono alcune alternative al silicio per la realizzazione di transistor? Ho letto del nitruro di gallio e del grafene e presumo che debbano esistere altre possibilità. Quali sono i compromessi (ad es. Rendimento, requisiti di potenza, conducibilità termica, costo, ecc.)?

Answers

12/06/2021
Marucci Wais

Silicio


Si è economico, può essere raffinato per ridicole purezza e come tale è un materiale complessivo eccellente. Tuttavia, la sua mobilità elettronica è bassa quando viene inserita in un dispositivo, perché avrà bisogno di qualche forma di doping, in modo da ridurre la sua "mobilità decente" Sarthak Singhal dice. Inoltre, Si si ossida facilmente in mica, SiO2 e, diversamente dalla CO2, la mica è un isolante vetroso, chiaro e solido.
Tuttavia, Si è un materiale a larghezza di banda indiretta, quindi è una cattiva scelta per l'optoelettronica (diodi LASER, LED superluminescenti, amplificatori ottici, accoppiatori).

I reticoli di Si stirati come Si-Ge sono vecchie notizie. Intel ha trovato pochi margini di miglioramento rispetto a questa tecnologia 2004-2006 e ora sta attualmente cercando di cambiare la forma del gate. Purtroppo, i dettagli esatti sono tenuti nascosti. È noto che per ottenere una costante dielettrica ad alto k hanno usato ossidi di metallo esotici come HfO. è possibile decodificare il processo in termini di dimensioni, probabilmente fare qualche indovinello su livelli di doping e simili. Ma per quanto riguarda il contenuto reale delle strutture metalliche? Poche persone hanno l'esperienza e il budget per duplicare quel tipo di lavoro.

Essere un materiale indiretto di banda larga ha anche implicazioni sulle interconnessioni. C'è una spinta generale nel settore verso le interconnessioni ottiche, a causa dell'immunità al rumore e della velocità. Ma se i fili di alluminio su chip (o rame se si utilizza il processo di Damascene) devono essere sostituiti con guide d'onda ottiche, Si non è il materiale migliore per questo. Le interconnessioni stanno diventando il principale fattore limitante in VLSI, non i transistor stessi, che in un nodo a 22 nm dovrebbero avere facilmente un Ft di 25 GHz.

eterogiunzioni


I materiali eterojunction sono instabili come una struttura di cristallo. Non intrinsecamente, ma molto meno stabile di C o Si. GaAs, GaN, AlGaAs ... tutti i materiali III-V e in misura maggiore i materiali II-VI CdS, ZnO ecc.

Ge e C mostrano proprietà simili a Si come materiali del gruppo IV. Tuttavia, i dispositivi Ge hanno deriva termica e caratteristiche di stabilità della spazzatura. C come grafene e nanotubi con varia chiralità sono nuovi contendenti e come tale il loro uso a lungo termine nei dispositivi è incerto. In particolare, ci sono preoccupazioni per quanto riguarda i rifiuti di nanotubi lunghi e la loro tossicità per i tessuti umani.

Il carburo di silicio è un'alternativa ai transistor Si puri. Offre una maggiore mobilità e un maggiore potenziale di passaggio, ma ha un potenziale di crescita limitato. I moduli MOSFET di potenza di oggi sono SiC, ma GaN di 1a generazione (e che saranno presto implementati su piccola scala di 2a generazione) li stanno raggiungendo molto velocemente, superandoli occasionalmente. SiC è una specie di scappatoia, ma permette a molti allotropi di giocare in giro.



Semiconduttori III-V

(13-15 per voi nerd della chimica)

GaAs è nel complesso fragile e ha proprietà più scarse di GaN per l'uso nei transistor, sebbene sia estremamente vantaggioso per i dispositivi ottici. Trova usi in alcuni transistor a microonde specialistici a basso volume come HEMT e MESFET, ma a lungo termine mi aspetterei che GaN lo prevalga, almeno in alcune applicazioni. La maggior parte dei materiali utilizzati in combinazione con GaAs è una forma di materiale ceramico, con scarsa conducibilità termica. Il calore intrappolato causa precoci guasti per tali dispositivi.

GaAs è sempre stato un affronto alla tecnologia di nuova generazione, a causa della sua praticità d'uso nelle bande a infrarossi vicini da 0.8um a 1.3um (comunicazioni ottiche). I dispositivi GaAs tendono ad essere dispositivi di nicchia e ad alte prestazioni in cui una sostituzione non sarebbe una seccatura. Il nuovo tipo di dispositivi ottiene un'affidabilità in 5k-100k ore. Questo è nel territorio della lampadina! D'altra parte, è il materiale III-V più ben studiato e possiamo, infatti, costruire sistemi altamente affidabili fino a singoli strati di atomi alla volta.

InP viene utilizzato per la maggior parte degli optoelettronici sviluppati commercialmente a causa della stabilità di questo materiale. Tuttavia, non ha le migliori mobilità e ha un'alta tensione diretta in un dispositivo pratico. Almeno è un materiale gap gap di banda diretta. InP è il materiale scelto per i laser a lunga distanza da 1.55 um che alimentano la fibra ottica sottomarina.

GaN è incredibilmente stabile con la temperatura e ha un gap di banda diretto (sebbene grande, circa il doppio di quello dei GaAs). I MOSFET GaN funzioneranno come MOSFET (mostrano le regioni di saturazione) anche a 2 gradi C. Inefficientemente, ma questo è molto al di sopra dei 600C di Si e dei 175C di SiC. L'unico problema è creare un pacchetto che consenta quel tipo di temperature calde.
Il GaN è anche un materiale molto resistente e può essere coltivato in più direzioni rispetto ai GaAs.
GaN consente una frequenza di funzionamento molto elevata e, poiché ha una discreta mobilità di buchi ed elettroni, reagisce bene alla commutazione MHz (questo è inaudito nei transistor di potenza). Provalo con un MOSFET di fascia alta: esploderà in faccia con solo pochi mA!
Il GaN come gap di banda diretto è adatto per le lunghezze d'onda blu-viola e in genere richiede un sacco di pompaggio per funzionare, quindi almeno in fotonica, non sarà mai un sostituto diretto per i GaA.

Gallio è un metallo debole, morbido, con un punto di fusione a 29 ° C. Questo è gran parte dei motivi per cui i cristalli tra cui Ga non sono molto forti. (anche la sua durezza della scala MOHS è solo 1.5). Il gallio si disperde facilmente nei sistemi in alluminio e reagisce facilmente con l'ossigeno come l'alluminio. Confrontando Si con C, Ga è un atomo più pesante e ha un tempo più difficile a formare legami con l'angolo appropriato, quindi non si cristallizza in FCC, quindi la natura molto più morbida del metallo sfuso.

GaAs assorbe ossigeno dall'aria nel suo reticolo e come tale non dovrebbe mai essere lasciato esposto, specialmente se combinato con l'alluminio reticolato facilmente ossidabile. I processi di attivazione di GaN presentano anche energie abbastanza basse, poiché il nitruro viene rilasciato naturalmente dal materiale. Tali dispositivi richiedono strati di passivazione complessi, che aumentano notevolmente i costi. Una lastra di Si rimarrà praticamente in questo modo dopo aver formato un bordo di grano di ossido. E parlando di ossido, GaAs non lo ammette facilmente, quindi si devono usare leghe complesse. Ciò si traduce in ulteriore elaborazione, tempo e quindi più costoso. Ovviamente, in un dispositivo reale il mantienilo semplice, stupido si applica la regola: più cose che vanno male nelle superfici intermetalliche. Lo studio della fase intermetallica e le interazioni cristallografiche sono al limite della chimica inorganica e della scienza dei materiali, anche se i problemi sono più o meno noti dalla metà degli anni '60.

II-VI i semiconduttori sono molto interessanti perché la maggior parte fornisce un gap di banda molto stretto, ma a scapito della scarsa affidabilità. Questi materiali sono spesso ossidi e solfuri. Il problema è che la maggior parte delle tecniche di crescita dell'ossido di metallo si traduce in una struttura porosa e irregolare che i processi di ricottura termica rapida non sono in grado di risolvere. Questi avranno scarsa adesione e sono fisicamente fragili. Mentre la maggior parte dei cristalli puri ha un grado di durezza tra 7.5 e 10, gli ossidi vanno in basso 0-2s. Toccali e si sbriciolano per incollare.
II-VI vengono occasionalmente utilizzati nelle celle solari, ma molto spesso vengono sfruttati per le loro caratteristiche termiche. Le piastre Peltier / i dispositivi di raffreddamento termoelettrici utilizzano tali giunzioni per pompare il calore da un lato all'altro. Puoi anche generare elettricità in questo modo, non in modo molto efficiente.

Totale è possibile creare dispositivi ad altissime prestazioni con questi materiali, ad esempio è possibile realizzare uno switch MOSFET con 3-5 elettroni sul suo gate, ma questo è ovviamente atm indesiderabile perché attira strati molto sottili che vanno in strani effetti energetici quanti , in particolare a causa del tunneling.

La tolleranza al processo per III-V è troppo scarsa rispetto al Si maturo per tentare comodamente oltre la pura ricerca. Non è che non sia fattibile, ma è molto più difficile attrarre un investitore verso un prodotto che potrebbe avere un rendimento scarso (quindi un profitto non così grande rispetto a Si). Con questi prodotti, si tende a rivolgersi a un mercato di nicchia (dispositivi medici o di alta precisione) che può giustificare il costo di avere alcuni chip danneggiati su un wafer.

Allora perché non facciamo eterogiunzioni ovunque se sono così controllabili? È più difficile ottenere un rendimento altissimo, che riduce i profitti. C'è un motivo per cui i diodi laser specializzati costano così tanto per pezzo: potrebbero perdere soldi per ciascuno di essi!

Grafene


Fino a poco tempo fa, non si sapeva come creare un comportamento FET utilizzabile usando il grafene. Per caso, è stato scoperto che il grafene può ricordare gli stati di magnetizzazione in modo che possa agire come un interruttore semplicemente cambiando un campo elettrico (molto simile a un FET, ma senza un canale, perché il grafene è un semimetallo e conduce comunque).
Al momento Graphene è altamente sperimentale e perde tutta la sua magia una volta che diventa uno strato 3D (grafite). Abbiamo già una buona idea di come farne crescere fogli, ma realizzare un dispositivo su larga scala (qualsiasi CPU) è ancora fuori dalla nostra portata.
È indubbiamente un materiale tecnologicamente importante, ma c'è un po 'troppo di clamore attorno ad esso, poiché le prestazioni del grafene diminuiscono drasticamente se il monostrato è qualcosa di meno che perfetto (e questa è una seria sfida tecnologica).

Linea di fondo


Man mano che la nanotecnologia diventerà più disponibile, Si manterrà comunque il suo status di re dei dispositivi, ma verrà sostituito con GaN HEMT / HBT / MESFET per applicazioni di nicchia (commutazione di potenza, transistor GHz superiore).

È probabile che il futuro CMOS, o l'equivalente sostitutivo, non cambierà affatto, basandosi invece su quantità di energia di sottosoglia. In un MOSFET ad alte prestazioni del 2013, il Vth è già molto basso, a ~ 0.2 V, ed è fisicamente impossibile abbassarlo ulteriormente alle nostre attuali conoscenze. Esistono modelli teorici di tali supercristalli a temperatura ambiente che apparentemente sfidano le regole della termodinamica, ma nessuno che conosco abbia ancora costruito qualcosa del genere. Tra 20 anni, sono sicuro che ci sarà una generazione incipiente di nanoelettronica a sotto-soglia. Quale materiale? Non lo so per certo. Il grafene riserva ancora molte proprietà sconosciute, ma non abbiamo ancora sfruttato tutto il potenziale del reticolo Si.

Anche se per un futuro lontano (prossimi 50 anni?), Scommetterei su materiali in carbonio. C ha gli strati di elettroni superiori più vicini al nucleo, quindi hanno più energia. Il diamante ha una mobilità eccellente e, se correttamente drogato, potrebbe rendere incredibili i dispositivi.

fine
A causa della sua naturale abbondanza, facilità di elaborazione e costi complessivi inferiori, il silicio rimarrà in uso per il prossimo futuro (40 anni). Per la maggior parte delle applicazioni senza pretese è semplicemente "abbastanza buono".

Modifica: 12 novembre 2013, errori corretti, errori di battitura, migliore formattazione
20 giu 2014: più correzioni, qualche informazione in più sugli eterogiunzioni
Harbard
Se hai tempo e denaro, vale la pena visitare tutti e tre gli osservatori: offrono tutti esperienze uniche.Se si tratta di una resa dei conti, ecco i miei pensieri -One World Observatory vs Empire State BuildingOne World Observatory ha una vista eccellente sul distretto finanziario sottostante, sul fiume Hudson e sull'East River e sul New Jersey nord-orientale (compresa Lady Liberty).One World ...

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