Winziger Verbindungshalbleitertransistor könnte die Dominanz von Silizium herausfordern
Winziger Verbindungshalbleitertransistor könnte die Dominanz von Silizium herausfordern
Artikeltyp: Branchennachrichten Aus: Microelectronics International, Band 30, Ausgabe 2
MIT-Forscher entwickeln den kleinsten jemals gebauten Indium-Gallium-Arsenid-Transistor
Die Krone von Silizium ist in Gefahr: Die Tage des Halbleiters als König der Mikrochips für Computer und intelligente Geräte könnten gezählt sein, dank der Entwicklung des kleinsten Transistors, der jemals aus einem konkurrierenden Material, Indium-Gallium-Arsenid, gebaut wurde.
Der zusammengesetzte Transistor, der von einem Team in den Microsystems Technology Laboratories des MIT gebaut wurde, funktioniert gut, obwohl er nur 22 nm (Milliardstel Meter) lang ist. Dies macht ihn zu einem vielversprechenden Kandidaten, um schließlich Silizium in Computergeräten zu ersetzen, sagt Mitentwickler Jesús del Alamo, Donner-Professor für Naturwissenschaften am Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) des MIT, der den Transistor zusammen mit dem EECS-Doktoranden Jianqian Lin gebaut hat und Dimitri Antoniadis, der Ray-und-Maria-Stata-Professor für Elektrotechnik.
Um mit unserer Nachfrage nach immer schnelleren und intelligenteren Computergeräten Schritt zu halten, schrumpft die Größe der Transistoren kontinuierlich, sodass immer mehr von ihnen auf Mikrochips gequetscht werden können. „Je mehr Transistoren man auf einen Chip packen kann, desto leistungsfähiger wird der Chip und desto mehr Funktionen kann der Chip ausführen“, sagt del Alamo.
Da Siliziumtransistoren jedoch auf den Nanometerbereich reduziert werden, schrumpft auch die Strommenge, die von den Geräten erzeugt werden kann, was ihre Betriebsgeschwindigkeit begrenzt. Dies habe zu Befürchtungen geführt, dass Moore's Law – die Vorhersage von Intel-Gründer Gordon Moore, dass sich die Zahl der Transistoren auf Mikrochips alle zwei Jahre verdoppeln wird – bald zu Ende gehen könnte, sagt del Alamo.
Um das Mooresche Gesetz am Leben zu erhalten, untersuchen Forscher seit einiger Zeit Alternativen zu Silizium, die möglicherweise sogar bei Betrieb in diesen kleineren Maßstäben einen größeren Strom erzeugen könnten. Ein solches Material ist die Verbindung Indium-Gallium-Arsenid, die bereits in der Glasfaserkommunikation und in Radartechnologien verwendet wird und für ihre extrem guten elektrischen Eigenschaften bekannt ist, sagt del Alamo. Aber trotz jüngster Fortschritte bei der Behandlung des Materials, damit es ähnlich wie Silizium zu einem Transistor geformt werden kann, war noch niemand in der Lage, Geräte herzustellen, die klein genug sind, um in immer größerer Zahl in die Mikrochips von morgen gepackt zu werden.
Jetzt haben del Alamo, Antoniadis und Lin gezeigt, dass es möglich ist, einen nanometergroßen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) – der Typ, der am häufigsten in Logikanwendungen wie Mikroprozessoren verwendet wird – mit dem Material zu bauen. „Wir haben gezeigt, dass man extrem kleine Indium-Gallium-Arsenid-MOSFETs mit hervorragenden Logikeigenschaften herstellen kann, was verspricht, das Mooresche Gesetz über die Reichweite von Silizium hinauszuführen“, sagt del Alamo.
Transistoren bestehen aus drei Elektroden: dem Gate, der Source und dem Drain, wobei das Gate den Elektronenfluss zwischen den beiden anderen steuert. Da der Platz in diesen winzigen Transistoren so eng ist, müssen die drei Elektroden extrem nah beieinander platziert werden, eine Präzision, die selbst mit ausgeklügelten Werkzeugen nicht zu erreichen wäre. Stattdessen lässt das Team zu, dass sich das Gate zwischen den beiden anderen Elektroden „selbst ausrichtet“.
Die Forscher züchten zunächst eine dünne Schicht des Materials mittels Molekularstrahlepitaxie, einem in der Halbleiterindustrie weit verbreiteten Verfahren, bei dem verdampfte Atome von Indium, Gallium und Arsen im Vakuum miteinander reagieren und eine einkristalline Verbindung bilden. Das Team scheidet dann eine Molybdänschicht als Source- und Drain-Kontaktmetall ab. Anschließend „zeichnen“ sie mithilfe eines fokussierten Elektronenstrahls – einer weiteren etablierten Fertigungstechnik, die als Elektronenstrahllithographie bekannt ist – ein extrem feines Muster auf dieses Substrat.
Unerwünschte Materialbereiche werden dann weggeätzt und das Gateoxid wird auf dem winzigen Spalt abgeschieden. Schließlich wird verdampftes Molybdän auf die Oberfläche geschossen, wo es das Gate bildet, das fest zwischen die beiden anderen Elektroden gedrückt wird, sagt del Alamo. „Durch eine Kombination aus Ätzen und Abscheidung können wir das Gate [zwischen den Elektroden] mit winzigen Lücken um es herum schmiegen“, sagt er.
Obwohl viele der vom Team angewandten Techniken bereits in der Siliziumherstellung verwendet werden, wurden sie nur selten zur Herstellung von Verbindungshalbleitertransistoren verwendet. Dies liegt zum Teil daran, dass in Anwendungen wie der Glasfaserkommunikation der Platz weniger ein Problem darstellt. „Aber wenn es darum geht, Milliarden winziger Transistoren auf einem Chip zu integrieren, dann müssen wir die Herstellungstechnologie von Verbindungshalbleitertransistoren komplett neu formulieren, damit sie viel mehr wie die von Siliziumtransistoren aussehen“, sagt del Alamo.
Ihr nächster Schritt wird darin bestehen, die elektrische Leistung – und damit die Geschwindigkeit – des Transistors weiter zu verbessern, indem sie unerwünschte Widerstände innerhalb des Geräts eliminieren. Sobald sie dies erreicht haben, werden sie versuchen, das Gerät weiter zu verkleinern, mit dem ultimativen Ziel, die Größe ihres Transistors auf eine Gate-Länge von unter 10 nm zu reduzieren.
Die Forschung wurde von DARPA und der Semiconductor Research Corporation finanziert.
