Полупроводник InGaAs как альтернатива кремнию

С 1960-го года структура транзисторов, созданная командой Джея Ласта, практически не изменилась. Металл-Оксид-Полупроводник, сокращенно МОП-транзисторы являются основной частью современных компьютерный микрочипов. За 55 лет технологический процесс элементов компьютерных микрочипов значительно уменьшился, до 14 нм (топовый процессор Broadwell).



За все эти года было введено множество усовершенствований в производстве, структура микросхем стала расти не только в ширину/длину, но и в высоту. Теперь структура ЦПУ напоминает «мегаполис». Но за все эти годы главный компонент оставался неизменным — кремний, как и 55 лет назад так и сегодня он является основной частью микросхемы. К сожалению, а может и к счастью, это не может продолжатся вечно, у кремния есть предел, он не позволит уменьшить технологический процесс ниже 10 нм без потери производительности, так заявили инженеры корпорации Intel.

Не смотря на все это компания озвучила свои планы на будущее — достичь тех. процесса в 7 нм для своих микрочипов к 2018 году. Заявление хорошее, но сказать можно что угодно, иное дело исполнить планы. Мы это сможем узнать только через 3 года, хотя учитывая тот факт, что выпуск Broadwell откладывался несколько раз, то возможно ждать придется больше. И все же радует одно, у них есть план.



План этот прост — использовать вместо кремния иной полупроводник. Преемник кремния должен обладать большей подвижностью. Подвижность – это коэффициент пропорциональности между дрейфом носителя и внешним электрическим полем. Под дрейфом носителя подразумевается целенаправленна средняя скорость движения электрона под действием внешнего электрического поля. Подвижность очень важна в данной области, так как более высокое ее значение позволяет производить более плотные, быстрые микросхемы снижая их энергопотребление.

2016 год сулит нам разработку 10 нм техпроцесса производства для ЦПУ, такой тех. процесс вполне осуществим при использовании классических материалов. Но вот 2018 год обещает быть значительно интереснее, так как по словам все тех же представителей Intel, производство 7 нм микросхем применяя классический подход уже не возможно.



Перебирание различных элементов из периодической таблицы Менделеева, принесло свои плоды. Были выдвинуты различные кандидаты на роль альтернативных материалов взамен привычного всем кремния. Базовой ячейкой микропроцессоров является не одиночный транзистор, а минимум пара комплементарных (взаимодополняющих) МОП-транзисторов — сокращенно КМОП. Такие транзисторы бывают n-канальные и p-канальные. Для n-канальных транзисторов планируется использование InGaAs соединение из индия-галлия арсенида. Для p-канальных транзисторов кандидатом стал германий из IV группы, химически связанный с кремнием. Однако данный выбор не окончательный. Вышеперечисленные материалы обладают более высокой подвижностью нежели кремний.

Мнение Давида Хауса из Intel: “Производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев", — стало для Intel лозунгом, которого они и придерживаются. Достижение такого результата возможно только при соблюдении закона Мура: “Число транзисторов на интегральной микросхеме удваиваться каждые 24 месяца”, — но лишь эволюция транзисторов и технологий их изготовления позволяла продлить действие закона еще на несколько поколений. Именно по этим причинам компаниям придется отойти от кремниевых транзисторов.

За последние годы для Intel было проблематично придерживаться данного закона. Подтверждением этого является тот факт, что выпуск микрочипа с технологическим процессом 14 нм Broadwell откладывался несколько раз, о чем я уже упоминая ранее. На первый взгляд не очень понятно почему разработка и выпуск Broadwell был затянут, так как это по сути второе поколение микрочипов от Intel. Первый экспериментальный транзистор с технологией Tri-Gate был введен еще в 2006 году. Первенцем поколения 22 нм микрочипов с технологией Tri-Gate был Ivy Bridge, выпущенный в массовое производство в конце 2011 года.



Очевидно, что одной из проблем было увеличение числа масок в процессе фотолитографии. Это предположительно связано с проблемами применения 193 нм-ого ультрафиолетового излучения для изображения с глубиной субволны 14 нм. На протяжении многих лет разработки и совершенствования субволновой литографии было найдено множество обходных путей, которые позволили усовершенствовать различные моменты, такие как: коррекция оптической близости, фазовый переход масок, погружение в жидкости с высоким показателем преломления, и многократное воздействие, что послужило причиной увеличения числа масок.

Хотя идея и разработка экстремальной ультрафиолетовой литографии с длинной волны близкой к 13 нм зародилась еще до 2000 года, вскоре она были свернута и возобновлена лишь после появления 100 нм микросхем в первой половине 2000-х годов. На данный момент успех развития данной технологии не ожидается до начала эры 7 нм техпроцесса производства. Одной из основных проблем является поиск источника энергии для луча. Более коротковолновое излучение сильно поглощается всеми веществами. Можно думать только об использовании зеркальной оптики, размещенной в вакууме с отражением на основе межслойной интерференции. Маска (фотошаблон) также выполняется в виде отражающего элемента, а не просвечивающего. При каждом отражении зеркалом и маской поглощается значительная часть энергии луча, около 1/3. При использовании 7 зеркал будет поглощено около 94 % мощности луча, а значит экстремальной ультрафиолетовой литографии (ЭУЛ) требует мощных источников. Но так же проблема есть и в инфраструктуре работы ЭУЛ с разными масками.

Компании не удалось снизить стоимость производства микрочипов с техпроцессом производства 14 нм, но руководство придерживается мысли, что технология в текущем виде приносит больше пользы, нежели попытки ее упрощения. Экспериментальное устройство с техпроцессом в 10 нм обещает быть на 50% быстрее топового Broadwell, и задержек в его производстве не ожидается, что немаловажно.

Применение и введение в массовое производство InGaAs или иных элементов III – IV группы вызывает ряд сложностей. Первая проблема с которой приходится столкнутся это производство техники для создания InGaAs на подложках диаметром 30 см. Изготовление таких подложек имеет огромное значение для массового производства микрочипов, что в свою очередь наталкивает на простой вывод — полностью уйти от использования кремния на данный момент невозможно.



В 2013 году центр нано-электроники Imec, расположенный в Левене (Бельгия), начал эксперименты по созданию техники для производства кремниевых подложек, адаптированных под 7 нм тех. процесс производства, в которых пластины кремния в дальнейшем заменяются на пластины InGaAs. Европейский исследовательский центр также разработал аналогичный процесс замены кремниевых пластин на пластины, состоящие из германия. Другими исследователями разрабатывается иной подход — наращивание пластин из InGaAs на немного меньшем основании из фосфида индия (InP), диаметром 10 см, и дальнейший их перенос на 30 см кремниевые подложки путем прямого соединения. Однако это усложняет процесс, соответственно возрастает и стоимость конечного продукта. Такая политика делает нерентабельным чип для простого обывателя.

Так же при дальнейшем производстве транзисторов InGaAs стоит учитывать такие моменты как контакты истока/оттока. Многие экспериментальные устройства являются слишком большими для техпроцесса в 7 нм и используют некоторые материалы несовместимые с кремниевой средой.

Повышение колебания и транспроводимости


Исследователи из США и Южной Кореи озвучили рекордное сочетание допорогового колебания — 82 мВ/декаду, 0.5 В смещение оттока, транспроводимости — 1800 мкС/мкм, и на токе — 0.41 мA/мкм для КМОП-транзистор InGaAs. Эпитаксиальные структуры были выращены на полу-изоляционном соединении из индий-фосфида посредствам молекулярной лучевой эпитаксии. Эпитаксия — это контролируемое наращивание одного кристаллического материала на другом. В случаи молекулярной лучевой эпитаксии элементы испаряются при очень высокой температуре (от 400 — 800 оС), а применение сверх вакуума при давлении 10-6 — 10-8 Па обеспечивает оседание молекул элементов на поверхности с более низкой температурой.



Многослойная верхушка использовалась для контроля интервала между сторонами дорожек, при сочетании влажного/сухого травления. Создание массива состояло из двух процессов электроннолучевой литографии, для достижения желаемой высоты и ширины ребра затвора. Конечная высота и ширина ребра составляли 20 нм и 30 нм, соответственно.



Ворота длинной 80 нм были установлены в слое диоксида кремния (SiO2). Изоляция состояла из 0.7 нм окиси алюминия (Al2O3) и 2 нм диоксида гафния (HfO2) согласно принципу атомно-слоевого осаждение (АСO).



Изоляция оксидом-иттриума


31 марта 2015 Корейский институт науки и техники продемонстрировал InGaAs транзисторы погружённые в слой иттрий-оксида. Исследователи рассматривают InGaAs как перспективную альтернативу более сложной технологии Tri-Gate. Применение Y2O3 должно позволить уменьшить эквивалентную окисную толщину (ЭОТ), по сравнению с окисью алюминия на основе более высокой диэлектрической константы (16 против 9-12). Интересный факт — у воды диэлектрическая константа равна 80-и. Уменьшение ЭOT позволяет разместить затвор ближе к каналу повышая электростатический контроль.

Канал МОП транзистора был построен путем переноса слоя InGaAs, выращенного на подложке из фосфида индия (InP), на кремниевую подложку с последующим покрытием слоем Y2O3. Поверхность InGaAs подготавливали — удаляли естественный оксид и производили пассивацию раствором состоящим из ацетона, гидроксида-аммония и сульфида-аммония. Очищенная поверхность была покрыта 10 нм Y2O3, нанесенного с помощью электронно-лучевого испарения. Кремниевая подложка была также покрыта 10 нм из Y2O3, после очистки фтористоводородной кислотой.

Соединение вафли было достигнуто ручным давлением в воздухе. Ростовой субстрат InP и защитный слой InGaAs были удалены с помощью хлористоводородной и фосфорной кислоты, методом влажного травления. Для электродов истока и оттока были использованы никель и золото. InP был вытравлен частично в области истока и оттока, его нужно было убрать полностью, но он остается в области канала для уменьшения воздействия на поверхность, которое может повлиять на подвижность.



Заключительное устройство было подвергнуто быстрому тепловому отжигу в 300 оC. Длина затвора и канала (тела) составляла 2 мкм с толщиной 10 нм. Подпороговое колебание было 90мВ/декаду, которое было описано исследователями как “очень низкое” ввиду относительно большого EOT. Эффективная мобильность была повышена в 2.5 раза по сравнению с устройствами на основе кремния, даже без отжига. Отжиг в 300 оC увеличил эффективную подвижность до 2000 см2 (В·с). По словам исследователей эти первые показатели могут быть улучшены с оптимизацией процесса.

Все вышеперечисленное — это эксперименты, инновации, попытки достичь новых высот. Не будем отрицать, что данный процесс может быть довольно продолжительным и сопряженным с множеством неудач и провалов. Однако, именно так и зарождаются те самые инновации, стающие со временем неотъемлемой частью нашей жизни.
ua-hosting.company 287,61
Хостинг-провайдер: серверы в NL / US до 100 Гбит/с
Поделиться публикацией
Комментарии 25
  • 0
    Немного оффтопом.
    Раз уж в статье фигурирует интегральная схема США я решил продемонстрировать и первую отечественную ИС созданную в 1962 году.
    • +5
      habrastorage.org/files/666/932/18e/66693218ee0e4223a95d88134ca0f48d.jpg
      • +1
        Надо радоваться?
        • +13
          Да, это круто!
          Да, в своё время мы били на острее науки. Но сегодня деньги вкладываются не в науку, а в строительство церквей.
          Крёстный ход и окропление святой водой Протонам помогают не слишком.
          Сейчас в МИФИ профессоров заменяют на попов — ждать ли от этого прорыва в ядерной физике?
          Остаётся смотреть на образцы 1962 года и спорить о том, кто первым изобрёл радио.
          • –4
            Прорыв в ядерной физике не зависит от количества профессоров. Для совершения прорыва нужно не так уж много ученых, по сравнению с общим количеством населения. Просто сейчас восстанавливают баланс — слишком много ученых развелось а прорывы никто не делает какой смысл их кормить?
            • +1
              Ох, может хватит уже путать научные достижения и инженерные. ИС — это чисто инженерная задача. Везде! Везде путают науку и инженерную отрасль, сколько можно уже?
        • 0
          А что такое «арсенид»? У меня есть некоторое (необоснованное) подозрение, что он имеет какое-то отношение к мышьяку. Не?
          • 0
            Ну почему же необоснованное? :-)

            Арсенид как раз и является веществом, содержащим атомы мышьяка. Вот, скажем, в арсениде галлия GaAs, одном из важнейших полупроводников, половина атомов — мышьяк.
          • +2
            Арсенид — это соединения мышьяка с более электроположительными элементами.
            • +1
              Вот именно. Вместо
              соединение из индия, галлия и арсенида
              должно быть
              соединение из индия, галлия и мышьяка
              • 0
                Увы, Вы не предположили что тут была элементарная опечатка. Правильно звучит индия-галлия арсенида если использовать систематическое наименование то будет звучать «Арсенид галлия-индия». Союза «и» там не было. Прошу прощения что ввел вас в заблуждение.
            • +7
              Отток на самом деле сток
              • –9
                В различной литературе встречается как тот так и иной вариант. Да возможно Вы правы и правильней было бы написать «сток». Не могу судить про Ваш опыт и знания в данной сфере, но неужели указать на то что было использовано некорректное слово, на Ваш взгляд, нежели написать свое мысли по поводу планов описанных в статье и Ваше точку зрения? Если у Вас богатый опыт в данной сфере.
                • +5
                  Да, и с затвором кое-где беда:
                  Ворота длинной 80 нм были установлены в слое диоксида кремния

                  Ворота устанавливаются на футбольном поле. У полевых транзисторов все-таки затворы — перевод совсем не причесан
              • 0
                Сомневаюсь, что такая экзотика когда-нибудь вытеснит кремний.
                В конце концов, кремния у нас навалом (второй элемент по распространённости на Земле), а вот индия с галлием как-то не очень, да и крупных месторождений они не образуют. Так что если делать такое миллиардами штук, можно очень быстро столкнуться с нехваткой сырья.
                Да и как насчёт безопасности? Галлий вообще-то токсичен, да и мышьяк не самый безопасный из элементов. Прошли те времена, когда в бытовую технику пихали селеновые столбики и считали, что так и надо. Сейчас экологи за такое живьём сожрут.
                • 0
                  Но в светодиодах это очень даже экологично
                • 0
                  Арсенид галлия изобрели не сегодня. Я поступал в ВУЗ в 1983 году и уже тогда он считался перспективным материалом. Уже тогда его использовали в нарождающемся сегменте оптоэлектроники. Проблема в том, что в отличие от кремния, который валяется у нас под ногами галлий куда более редким и дорогим материалом будет.
                  Ну и главное, мы подходим к размерам при которых уже перестают работать законы классической физики, проявляетя квантовое строение вещества. Использование арсенида галлия не способно вызвать революцию, оно лишь способно отсрочить на 2-5 лет неминуемое событие — классические технологии упрутся в минимальные линейные размеры.
                  Дальнейшее совершенствование возможно либо путём перехода к объёмным структурам либо освоением квантовых технологий.
                  Так что большой вопрос, нужен ли мизерный выигрыш достигнутый значительным удорожанием продукта и радикальной сменой технологии производства чипов?
                  • +4
                    >Арсенид галлия изобрели не сегодня. Я поступал в ВУЗ в 1983 году и уже тогда он считался перспективным материалом.

                    Когда кремний у Интела едва за сотню МГц перевалил, у Сеймура Крея тестовые схемы на арсениде галлия уже 3ГГц тянули. Но это была очень дорогая и не востребованная тогда массовым рынком технология. Когда уткнулись в кремниевый 500МГц барьер, то снова заговорили об арсениде галлия (Cray-3 работал на 500МГц к тому времени почти 10 лет). Но барьер удалось преодолеть и об GaAs снова забыли на полтора десятка лет. Посмотрим, получится ли в очередной раз к нему вернуться…
                    • 0
                      наксколько мне говорят мои источники Cray-3 так нигде ни у кого и не заработал потому как на проект просто положили болт из-за его стоимости и всех задержек
                      • 0
                        ааа неет в NCARе работал один единственный Cray. поставлен в 1993 году и выброшен на свалку в 1995 году с банкротством Cray Computer Corporation. так что 10 лет Cray-3 нигде не проработал, разв только на верстаке в лаборатория Крэя
                      • 0
                        Совершенствование возможно ещё оптимизацией внутренней логики и увеличением кол-ва транзисторов (даже если это увеличит площадь кристалла — каково будет любую команду исполнять за 1 такт?). В крайнем случае вообще переход на другую микроархитектуру, более подходящую в современных реалиях.
                        • 0
                          Параллельное исполнение команд, по десяток за один такт.
                          Вообще, за счет оптимизации процессоры уже сейчас исполняют команды в среднем по нескольку за один такт! Всю малину портят команды для общения с периферией, которые могут задержать исполнение на 100-200 тактов запросто.
                          Каким бы ни был совершенным процессор, его возможности ограничивает интерфейс с периферией, которая собственно никогда не заработает на частоте процессора — банально не хватит длины соединяющих линий на выбранных частотах.
                      • +1
                        Иттриум?! Может таки Иттрий?

                        Вообще из статьи непонятно, почему бОльшая молекула арсенида галлия должна давать преимущества при уменьшении техпроцесса. Там уже близко одноатомные транзисторы. Тогда уж графен выглядит более перспективным материалом, хоть и новым и непроработанным.
                        • +1
                          «Арсенид галлия — технология будущего, и всегда ею и останется» говорили в 80-ых годах.

                          Великий Сеймур Крэй погорел на арсениде галлия пытаясь заставить работать его в компьютерах Cray-3. цена за такой компьютер получилась просто чудовищная.

                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                          Самое читаемое