Een minuscule transistor met samengestelde halfgeleiders zou de dominantie van silicium kunnen uitdagen.
Artikeltype: Industrienieuws Afkomstig uit: Microelectronics International, Volume 30, Nummer 2
MIT-onderzoekers ontwikkelen de kleinste indiumgalliumarsenide-transistor ooit gebouwd.
De kroon van silicium staat onder druk: de dagen van de halfgeleider als koning van microchips voor computers en slimme apparaten zouden wel eens geteld kunnen zijn, dankzij de ontwikkeling van de kleinste transistor ooit gemaakt van een concurrerend materiaal, indiumgalliumarsenide.
De samengestelde transistor, gebouwd door een team van de Microsystems Technology Laboratories van MIT, presteert goed ondanks zijn lengte van slechts 22 nm (miljardsten van een meter). Dit maakt het een veelbelovende kandidaat om silicium in computerapparaten uiteindelijk te vervangen, aldus mede-ontwikkelaar Jesús del Alamo, de Donner Professor of Science aan de afdeling Elektrotechniek en Informatica (EECS) van MIT, die de transistor bouwde samen met EECS-student Jianqian Lin en Dimitri Antoniadis, de Ray and Maria Stata Professor of Electrical Engineering.
Om gelijke tred te houden met onze vraag naar steeds snellere en slimmere computerapparaten, worden transistors steeds kleiner, waardoor er steeds meer op microchips passen. "Hoe meer transistors je op een chip kunt plaatsen, hoe krachtiger de chip zal zijn en hoe meer functies de chip zal kunnen uitvoeren", aldus del Alamo.
Maar naarmate siliciumtransistoren kleiner worden, tot op nanometerschaal, neemt ook de hoeveelheid stroom die de apparaten kunnen produceren af, waardoor hun snelheid beperkt wordt. Dit heeft geleid tot de vrees dat de wet van Moore – de voorspelling van Intel-oprichter Gordon Moore dat het aantal transistoren op microchips elke twee jaar zal verdubbelen – wel eens ten einde zou kunnen komen, aldus del Alamo.
Om de Wet van Moore in leven te houden, onderzoeken onderzoekers al enige tijd alternatieven voor silicium, die mogelijk een grotere stroom kunnen produceren, zelfs bij deze kleinere schalen. Een van die materialen is de verbinding indiumgalliumarsenide, die al wordt gebruikt in glasvezelcommunicatie en radartechnologieën en bekendstaat om zijn extreem goede elektrische eigenschappen, aldus del Alamo. Maar ondanks recente vooruitgang in de behandeling van het materiaal, waardoor het op een vergelijkbare manier als silicium tot een transistor kan worden gevormd, is het nog niemand gelukt om apparaten te produceren die klein genoeg zijn om in steeds grotere aantallen in de microchips van de toekomst te worden verwerkt.
Del Alamo, Antoniadis en Lin hebben nu aangetoond dat het mogelijk is om een nanometergrote metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistor (MOSFET) te bouwen – het type dat het meest gebruikt wordt in logische toepassingen zoals microprocessoren – met behulp van dit materiaal. "We hebben aangetoond dat je extreem kleine indiumgalliumarsenide MOSFET's kunt maken met uitstekende logische eigenschappen, wat de belofte inhoudt dat de Wet van Moore buiten het bereik van silicium zal komen", aldus del Alamo.
Transistors bestaan uit drie elektroden: de gate, de source en de drain, waarbij de gate de elektronenstroom tussen de andere twee regelt. Omdat de ruimte in deze minuscule transistors zo beperkt is, moeten de drie elektroden extreem dicht bij elkaar geplaatst worden, een precisie die zelfs met geavanceerde gereedschappen onmogelijk te bereiken is. In plaats daarvan laat het team de gate zichzelf "uitlijnen" tussen de andere twee elektroden.
De onderzoekers kweken eerst een dunne laag van het materiaal met behulp van moleculaire bundelepitaxie, een proces dat veelvuldig wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie. Hierbij reageren verdampte atomen van indium, gallium en arseen in een vacuüm met elkaar om een enkelkristalverbinding te vormen. Vervolgens brengt het team een laag molybdeen aan als contactmetaal voor de source- en drain-elektroden. Daarna "tekenen" ze een extreem fijn patroon op dit substraat met behulp van een gefocusseerde elektronenbundel – een andere beproefde fabricagetechniek die bekend staat als elektronenbundellithografie.
Ongewenste materiaaldelen worden vervolgens weggeëtst en de poortoxide wordt in de kleine opening afgezet. Ten slotte wordt verdampt molybdeen op het oppervlak gebrand, waar het de poort vormt, strak ingeklemd tussen de twee andere elektroden, aldus del Alamo. "Door een combinatie van etsen en afzetten kunnen we de poort [tussen de elektroden] precies plaatsen met kleine openingen eromheen", zegt hij.
Hoewel veel van de technieken die het team toepast al gebruikt worden bij de fabricage van silicium, zijn ze slechts zelden gebruikt voor de productie van samengestelde halfgeleidertransistoren. Dit komt deels doordat ruimte in toepassingen zoals glasvezelcommunicatie minder een probleem is. "Maar als je het hebt over het integreren van miljarden kleine transistoren op een chip, dan moeten we de fabricagetechnologie van samengestelde halfgeleidertransistoren volledig herzien, zodat deze veel meer lijkt op die van siliciumtransistoren", aldus del Alamo.
Hun volgende stap is het verder verbeteren van de elektrische prestaties – en daarmee de snelheid – van de transistor door ongewenste weerstand in het apparaat te elimineren. Zodra ze dit hebben bereikt, zullen ze proberen het apparaat verder te verkleinen, met als uiteindelijk doel de poortlengte van hun transistor te reduceren tot minder dan 10 nm.
Het onderzoek werd gefinancierd door DARPA en de Semiconductor Research Corporation.
Sinds 1992 verenigt Applied Physics Corporation is een toonaangevende wereldwijde leverancier van nauwkeurige normen voor contaminatiebeheersing en metrologie. Wij zijn gespecialiseerd in luchtstroomvisualisatie, deeltjesgroottenormen en oplossingen voor cleanroomdecontaminatie in kritische omgevingen.
