解锁更小、更高效的晶体管的关键新材料:砷化铟镓

2020-12-16 10:21:23 来源:EETOP

长期以来,硅一直是晶体管和计算机芯片的主要半导体。但这种主导地位并不能保证永远持续下去。特别是当工程师们试图将更多的功率器件装入更小、更密集的晶体管中时,情况更是如此。

麻省理工学院的研究人员最近的工作使人们更好地了解了一种被称为砷化镓铟(InGaAs)的合金,这种室温半导体可以带来更快、更致密的芯片。这可能是解锁更小,更高效的晶体管的关键。以前,研究人员认为InGaAs晶体管的性能会在芯片应用所需的小规模范围内劣化,但是MIT的最新研究表明,这种劣化并不是材料本身的固有特性。

砷化铟镓晶体管简史

麻省理工学院的新研究建立在对InGaAs晶体管持续研究的基础上。早在2012年,麻省理工学院微系统技术实验室的一个团队就宣布,他们发现了迄今为止最小的InGaAs晶体管。这种22纳米的MOSFET旨在取代计算设备中的硅,因为InGaAs可以在更小的尺度上传导更大的电流。

宣布这一消息之前,普渡大学的研究人员开发了一种由三根微小的InGaAs纳米线组成的圣诞树状晶体管。

普渡大学ECE部门生产的InGaAs晶体管的横截面图像

InGaAs晶体管堆叠在垂直结构中(当时是一种新颖的结构),据说它比硅对应的晶体管更紧凑,更节能。

砷化铟镓

在我们期望摩尔定律终结时,为什么麻省理工学院,普渡大学和其他机构的研究人员转向InGaAs?

InGaAs(有时也被称为 "砷化镓铟,GaInAs")是一种III-V族化合物,其性质介于GaAs和InAs之间。尽管它最常用作光纤电信的高速、高灵敏度光电检测器,但它在室温下也是一种半导体,因此适合应用于电子领域。

电子即使在低电压下也能够无缝地穿过InGaAs。这意味着InGaAs可以提高设备的能效。而且由于由这种材料制成的晶体管可以快速处理信号,因此从理论上讲,它将使计算速度更快。

然而,事实上,InGaAs晶体管在小尺度下似乎会性能恶化——这是实现更快和更密集芯片所需的尺度——这是一个棘手的问题。

麻省理工学院的发现可能导致该材料(如图所示)在电子学中的广泛使用。图片取自该机构2012年有关InGaAs的先前工作

然而,在这项研究中,麻省理工学院的研究团队发现,这种材料的小规模性能问题部分归因于氧化物捕获,而不是之前认为的材料本身。氧化物俘获导致电子在通过晶体管时“卡住”,降低性能。

氧化物陷阱

“晶体管应该起开关的作用。你希望能够接通电压,同时有大量电流,”该研究的第一作者蔡晓伟(Xiaowei Cai)说。当电子被捕获并施加电压时,只有非常有限的沟道电流,这意味着开关能力比氧化物捕获时要低得多。

InGaAs用于成像芯片,这是其最常见的应用之一

确实,当麻省理工学院的研究人员研究晶体管的频率依赖性时,氧化物捕获被认为是性能损失的原因:电脉冲通过该晶体管的频率。在较低的频率下,纳米级InGaAs晶体管的性能似乎下降了。相反,在1 GHz及更高的高频下,氧化物陷阱不再是问题。

“当我们以很高的频率操作这些设备时,我们注意到性能非常好。他们与硅技术具有竞争力。”蔡说。这一发现有朝一日可能会起到提升计算能力和效率的作用,超越硅技术的可能性。

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