Полупроводниковые материалы германий и кремний: структура, химический состав

Пример HTML-страницы

Полупроводниковые материалы (германий, кремний) по своему удельному электрическому сопротивлению  p занимают место между проводниками и диэлектриками (p= 10^~3…10⁸Ом • см). Разная величина проводимости у металлов, полупроводников и диэлектриков обусловлена разной величиной энергии, которую надо затратить на то, чтобы освободить валентный электрон от связей с атомами, расположенными в узлах кристаллической решетки. Причем Полупроводниковые материалы (германий, кремний) по своему удельному электрическому сопротивлению  p занимают место между проводниками и диэлектриками (p= 10^~3…10⁸Ом • см). Разная величина проводимости у металлов, полупроводников и диэлектриков обусловлена разной величиной энергии, которую надо затратить на то, чтобы освободить валентный электрон от связей с атомами, расположенными в узлах кристаллической решетки. Причем проводимость полупроводников в значительной степени зависит от наличия примесей и температуры.

В полупроводниках присутствуют подвижные носители заряда двух типов: отрицательные электроны и положительные дырки.

Чистые (собственные) полупроводники в полупроводниковых приборах практически не применяются, так как обладают малой проводимостью и не обеспечивают односторонней проводимости. Подвижные носители заряда в собственных полупроводниках возникают обычно в результате термогенерации. Техническое применение получили так называемые примесные полупроводники, в которых в зависимости от рода введенной примеси преобладает либо электронная, либо дырочная проводимость.

Если в кристаллическую решетку 4-валентного кремния ввести примесь 5-валентного элемента (фосфора P , сурьмы Sb , мышьяка As ), то четыре валентных электрона каждого примесного атома примут участие в образовании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами кремния, а пятый валентный электрон окажется избыточным. Он слабо связан с атомом и легко превращается в свободный.

При этом атом примеси превращается в положительный неподвижный ион. Увеличение концентрации свободных электронов увеличивает вероятность рекомбинации, поэтому концентрация дырок уменьшается. При нормальной температуре практически все атомы приме­си превращаются в положительные неподвижные ионы, а число свободных электронов значительно превышает число дырок. Основными носителями заряда в таких полупроводниках являются электроны, поэтому такой полупроводник называется полупроводником n-типа (электронного типа). Неосновными носителями заряда в нем являются дырки. Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами.

При введении примеси 3-валентного элемента (бора B , индия In , алюминия А l ) три валентных электрона каждого атома примеси принимают участие в образовании только трех ковалентных связей, а для четвертой связи атом примеси забирает электрон из какой-либо другой связи между атомами кремния, образуя при этом дырку. Атом примеси превращается в отрицательный неподвижный ион. Таким образом, 3-валентная примесь увеличивает концентрацию дырок, что в свою очередь уменьшает концентрацию электронов. Основными носителями заряда таких полупроводников являются дырки, поэтому полупроводник называется полупроводником p -типа (дырочного типа). Неосновными носителями заряда являются электроны. Вещества, отбирающие электроны, называются акцепторами.

Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов примеси N должна превышать концентрацию электронов n и дырок p в собственном полупроводнике ( n = p ). Практически всегда N гораздо больше n и p.

Концентрация неосновных носителей уменьшается во столько раз, во сколько раз увеличивается концентрация основных носителей. Это объясняется увеличением вероятности рекомбинации. Для примесного полупроводника справедливо равенство  np = n_ip_i = n_i2 = p_i2,где n,p— концентрация электронов и дырок в примесном полупроводнике. Число атомов примеси мало по сравнению с числом атомов полупроводника. Если использовать фосфор P, атомный вес которого примерно равен атомному весу кремния, и добавить в 1 кг расплава кремния только 20 мкг фосфора, то эта добавка увеличит число свободных электронов на 5 порядков. На столько же порядков уменьшится концентрация неосновных носителей.

Концентрация основных носителей определяется концентрацией примеси и практически не зависит от температуры, так как уже при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы, а число основных носителей, возникающих за счет генерации пар электрон-дырка, пренебрежимо мало по сравнению с общим числом основных носителей. В то же время концентрация неосновных носителей мала и сильно зависит от температуры, увеличиваясь в 2—3 раза при увеличении температуры на каждые 10³  С.

Германий и кремний (полупроводники) » Все о металлургии

14.05.2015

Последнее десятилетие характеризуется бурным развитием физики полупроводников. В настоящее время, пожалуй, не существует ни одном области техники, в которой не использовались бы полупроводники. Они служат катализаторами, счетчиками ядерных частиц, источниками мощных потоков электронов в вакуумных приборах. На основе полупроводников создано много приборов, которые вырабатывают холод, превращают энергию радиоактивного излучения (лучистую, тепловую и звуковую) непосредственно в электрическую, выпрямляют переменный ток, усиливают в миллионы раз слабые пучки электронов, регулируют силу тока и напряжение, защищают от грозовых разрядов и перенапряжения линии высоковольтных передач и выполняют многие другие функции.
Даже этот далеко не полный перечень функций, выполняемых полупроводниками, свидетельствует об их важной роли в современной технике.

Полупроводники весьма широко распространены в природе. Это — окислы металлов, сульфиды, теллуриды, селениды, некоторые двойные и многокомпонентные металлические соединения и ряд элементов — углерод, теллур, бор, фосфор, мышьяк, германий, кремний и др.
Свойство полупроводников резко снижать удельное электросопротивление при приложении к ним большой разности потенциалов нашло применение для устройства нелинейных сопротивлений — варисторов.
Свойство полупроводников, называемое униполярной электропроводимостью — пропускание тока в одном направлении, положено в основу выпрямителей переменного тока.
Вентильный фотоэффект — возникновение электродвижущей силы при освещении полупроводника — используется для трансформирования световой энергии в электрическую.

Так называемое явление Пельтье, заключающееся в том, что при пропускании тока сквозь систему из разнородных полупроводников резко снижается температура спая, использовано акад. А.Ф. Иоффе для создания охлаждающих установок.
Некоторые полупроводники обладают способностью люминесцировать. т. е. испускать свет без нагревания до высоких температур.
Особо следует остановиться на термоэлектричестве полупроводников.
Механизм возникновения термоэлектродвужущей силы у полупроводников таков же, как и у металлов. Ho в металлах в широком температурном интервале концентрация электронов остается практически постоянной, при этом их кинетическая энергия в слабой степени зависит от температуры. В полупроводниках как концентрация электронов, так H кинетическая энергия сильно зависят от температуры, что дает возможность получать большую термоэлектродвижущую силу. Уже сейчас получают термоэлементы из полупроводников с коэффициентом полезного действия, равным 8%; это позволяет практически подойти к решению чрезвычайно важной проблемы современности — непосредственному превращению тепловой энергии в электрическую.
Важным свойством многих полупроводников является высокая подвижность электронов. Например, подвижность электронов в n-германии равна примерно 4000 см2/в*сек, в n-кремнии 1200 см2/в*свк, между тем как подвижность электронов в металлах равна всего нескольким сотням квадратных сантиметров за 1 в*сек.
В настоящее время в качестве полупроводников в радиотехнической промышленности применяются главным образом германий и кремний.
По химическим свойствам германий близок к углероду, кремнию и серому олову и имеет кристаллическую решетку типа алмазной.
Удельная электропроводность германия колеблется в очень широких пределах — от 1000 до 0,01 ом-1*см-1 в зависимости от количества примесей посторонних атомов, введенных в кристаллическую решетку германия.
Влияние примесей на электрические свойства германия и кремния настолько велики, что уже один атом примеси на 10в8 атомов германия или кремния изменяет электропроводность, а следовательно, и электрические свойства. Этим пользуются для получения германия с заданными свойствами.
Влияние многих примесей на химические и электронные свойства германия еще полностью не выяснено, но известно, что элементы III и V групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева имеют большую растворимость, малые коэффициенты диффузии и очень сильно влияют на электропроводность германия.
Интересно отметить, что роль примесей в некоторых полупроводниках выполняют не только атомы посторонних веществ, но и атомы, образующие то или иное полупроводниковое соединение.
Германиевые и кремниевые полупроводники применяются в виде монокристаллов, выращивание которых — довольно сложная и трудоемкая операция.
В настоящее время для получения монокристаллов из полупроводниковых материалов применяют три метода: вертикальное вытягивание из расплава с помощью ориентированного монокристаллического зaродыша; горизонтальную зонную плавку с затравкой и вертикальное бестигельное зонное вытягивание.
Для получения технически применимых полупроводников требуются исходные материалы очень высокой чистоты, для чего эти материалы подвергают тщательной химической очистке. Полученные полупроводниковые материалы дополнительно очищают дистилляцией, сублимацией, фракционной дистилляцией и зонной плавкой.

Германиевые полупроводники (диоды) имеют весьма существенный недостаток — не обладают достаточной чувствительностью при детектировании слабых сигналов и очень чувствительны к изменению температуры; кремниевые полупроводники в известной мере лишены этих недостатков.
В последнее время выяснилось, что стекло, содержащее германий, хорошо пропускает инфракрасные лучи и поглощает ультрафиолетовые, что используется в спектральной технике и во многих оптических контрольно-измерительных приборах.

---

• Платиновые металлы
• Серебро
• Золото
• Вольфрам и твердые сплавы
• Молибден
• Олово и его сплавы
• Цинк и его сплавы
• Свинец и его сплавы
• Никель и его сплавы
• Медь и сплавы на медной основе

Германий как полупроводник — свойства и характеристики

Детектор HPGe с криостатом LN2 Источник: canberra.com . Название полупроводник происходит от того факта, что эти материалы имеют электрическую проводимость между металлом, таким как медь, золото и т. д., и изолятором, таким как стекло. У них есть 9энергетическая щель 0003 менее 4 эВ (около 1 эВ). В физике твердого тела эта энергетическая щель или запрещенная зона представляет собой диапазон энергий между валентной зоной и зоной проводимости, где электронные состояния запрещены. В отличие от проводников, электроны полупроводников должны получать энергию (например, от ионизирующего излучения), чтобы пересечь запрещенную зону и достичь зоны проводимости. Свойства полупроводников определяются энергетической щелью между валентной зоной и зоной проводимости.

Германий как полупроводник

12 граммов поликристаллического германия. Источник: википедия. Химический символ для германия равен Ge . Германий представляет собой блестящий, твердый, серовато-белый металлоид в углеродной группе, химически сходный со своими соседями по группе, оловом и кремнием. Чистый германий представляет собой полупроводник, внешне похожий на элементарный кремний. Германий широко используется для гамма-спектроскопия . В гамма-спектроскопии германий предпочтительнее из-за того, что его атомный номер намного выше, чем у кремния, что увеличивает вероятность взаимодействия с гамма-лучами. Германий больше используется для обнаружения излучения, чем кремний, потому что средняя энергия, необходимая для создания электронно-дырочной пары, составляет 3,6 эВ для кремния и 2,9 эВ для германия, что обеспечивает последнему лучшее разрешение по энергии. С другой стороны, германий имеет малую ширину запрещенной зоны (E _{ширина запрещенной зоны} = 0,67 эВ), что требует работы детектора при криогенных температурах.

Полупроводниковые детекторы на основе германия

Рисунок: Подпись: Сравнение спектров NaI(Tl) и HPGe для кобальта-60. Источник: Методология радиоизотопов и радиации I, II. Су Хён Бён, Конспект лекций. Университет Макмастера, Канада.

Полупроводниковые детекторы на основе германия чаще всего используются там, где требуется очень хорошее энергетическое разрешение , особенно для гамма-спектроскопии , а также рентгеновской спектроскопии. В гамма-спектроскопии германий предпочтительнее из-за того, что его атомный номер намного выше, чем у кремния, что увеличивает вероятность взаимодействия с гамма-лучами. Кроме того, германий имеет меньшую среднюю энергию, необходимую для создания электронно-дырочной пары, которая составляет 3,6 эВ для кремния и 2,9 эВ.эВ для германия. Это также обеспечивает последнему лучшее разрешение по энергии. Большой, чистый и почти идеальный германиевый полупроводник идеально подходит для защиты от радиоактивности. Однако получение крупных кристаллов достаточной чистоты сложно и дорого. В то время как детекторы на основе кремния не могут быть толще нескольких миллиметров, германиевые могут иметь обедненную чувствительную толщину в сантиметры. Поэтому его можно использовать в качестве детектора полного поглощения для гамма-излучения до нескольких МэВ.

С другой стороны, для достижения максимальной эффективности детекторы должны работать при очень низких температурах жидкого азота (-196°C), поскольку шум, вызванный тепловым возбуждением, очень высок при комнатных температурах.

Поскольку германиевые детекторы обеспечивают самое высокое обычно доступное сегодня разрешение, они используются для измерения радиации в различных приложениях, включая мониторинг персонала и окружающей среды на предмет радиоактивного загрязнения, медицинские приложения, радиометрический анализ, ядерную безопасность и безопасность атомных станций.

Ссылки:

Радиационная защита:

1. Нолл, Гленн Ф., Обнаружение и измерение излучения, 4-е издание, Wiley, 8/2010. ISBN-13: 978-0470131480.
2. Стабин, Майкл Г., Радиационная защита и дозиметрия: введение в физику здоровья, Springer, 10/2010. ISBN-13: 978-1441923912.
3. Мартин, Джеймс Э., Физика радиационной защиты, 3-е издание, Wiley-VCH, 4/2013. ISBN-13: 978-3527411764.
4. U.S.NRC, КОНЦЕПЦИИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
5. Министерство энергетики, контрольно-измерительных приборов и контроля США. Справочник по основам Министерства энергетики США, том 2 от 2 июня 1992 г.

Ядерная и реакторная физика:

1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную технику, 3-е изд., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
3. WM Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
4. Гласстоун, Сезонске. Разработка ядерных реакторов: разработка реакторных систем, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
5. WSC Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
6. Г. Р. Кипин. Физика ядерной кинетики. Паб Эддисон-Уэсли. Ко; 1-е издание, 1965 г.
7. Роберт Рид Берн, Введение в работу ядерных реакторов, 1988 г.
8. Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник по основам Министерства энергетики, том 1 и 2. 19 января.93.
9. Пол Ройсс, Нейтронная физика. EDP ​​Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.

См. выше:

Типы полупроводников

Германий может заменить транзисторы там, где кремний не может

от атомов, которые лежат в столбцах сразу слева и справа от кремния в периодической таблице элементов. Я принимал активное участие в этом исследовании. На самом деле, восемь лет назад я написал статью для этого журнала, в которой рассказывалось о прогрессе, достигнутом в создании транзисторов с каналами III-V.

Два транзистора в инверторе на базе FinFET содержат ребристые каналы, выступающие из плоскости пластины (сверху — один набор ребер (розового цвета) с высоты птичьего полета; снизу — один косой вид на другой набор). Расстояние между каждым плавником на верхнем изображении составляет десятки нанометров. Изображения: Heng Wu/Purdue University

Но, как мы в конце концов обнаружили, подход III-V имеет некоторые фундаментальные физические ограничения.

Кроме того, он, вероятно, будет слишком дорогим и сложным для интеграции с существующей кремниевой технологией. Итак, несколько лет назад моя команда из Университета Пердью в Уэст-Лафайетте, штат Индиана, начала экспериментировать с устройством другого типа: транзистором с каналом из германия. С тех пор мы продемонстрировали первые схемы комплементарных металлов-оксидов-полупроводников (КМОП) — своего рода логику в современных компьютерах — сделанные из германия, выращенного на обычных кремниевых пластинах. Мы также создали ряд различных архитектур транзисторов с использованием этого материала. К ним относятся устройства с нанопроволокой, которые могут стать следующими в очереди, когда нынешняя современная конструкция транзистора, известная как FinFET, больше не сможет быть миниатюризирована.

Самое приятное то, что вернуть германий в смесь не так сложно, как может показаться. Сообщается, что транзисторы, в канале которых используется комбинация кремния и германия, можно найти в некоторых последних чипах, и они появились в 2015 году на демонстрации будущих технологий производства чипов, организованной IBM и ее партнерами. Эти разработки могут стать первыми шагами в отраслевой тенденции к использованию все более и более высоких пропорций германия в канале. Через несколько лет мы, возможно, обнаружим, что материал, из которого создан транзистор, помог ему войти в новую эру выдающихся характеристик.

Германий был впервые выделен и идентифицирован немецким химиком Клеменсом Винклером в конце 19 века. Названный в честь родины Винклера, этот материал долгое время считался плохо проводящим металлом. Ситуация изменилась во время Второй мировой войны, когда были обнаружены полупроводниковые свойства германия, то есть его способность переключаться между пропусканием и блокированием тока. В послевоенные годы бум твердотельных приборов на основе германия; Производство в США выросло с нескольких сотен фунтов в 1946, чтобы удовлетворить потребность в более чем 45 метрических тоннах материала к 1960 году. Но кремний в конечном итоге победил; он стал предпочтительным материалом для микросхем логики и памяти.

Есть несколько веских причин, по которым доминирует кремний. Во-первых, кремния гораздо больше, и поэтому он намного дешевле. Кремний также имеет более широкую запрещенную зону, энергетический барьер, который необходимо преодолеть, чтобы транзистор мог проводить ток. Чем больше ширина запрещенной зоны, тем труднее току просачиваться через устройство, когда оно должно быть выключено, истощая энергию. В качестве дополнительного преимущества кремний также обладает лучшей теплопроводностью, что облегчает отвод тепла и предотвращает перегрев цепей.

Учитывая все эти преимущества, естественно задаться вопросом, почему мы вообще подумываем о возвращении германия в канал. Ответ — мобильность. Электроны движутся почти в три раза быстрее в германии, чем в кремнии, когда эти материалы имеют температуру, близкую к комнатной. А дырки — электронные пустоты в материале, с которыми обращаются как с положительными зарядами — двигаются примерно в четыре раза легче.

..»> Speedy Circuits: Кольцевой КМОП-генератор с девятью каскадами, представленный в 2015 году, был построен на основе германия на изоляторе. Изображение: Heng Wu/Purdue University

Тот факт, что электроны и дырки настолько подвижны в германии, делает этот материал подходящим кандидатом для создания КМОП-схем. В КМОП используются транзисторы двух разных типов: p-канальные полевые транзисторы (pFET), канал которых содержит избыток свободно движущихся дырок, и n-канальные полевые транзисторы (nFET) с таким же избытком электронов. Чем быстрее могут двигаться эти электроны и дырки, тем быстрее могут быть результирующие цепи. А поскольку для притягивания этих носителей заряда необходимо прикладывать меньшее напряжение, схемы также могут потреблять значительно меньше энергии.

Конечно, германий не единственный материал с такой высокой подвижностью. Упомянутые ранее соединения III-V, такие как арсенид индия и арсенид галлия, также обладают превосходной подвижностью электронов. На самом деле электроны в арсениде индия почти в 30 раз подвижнее, чем в кремнии. Все идет нормально. Проблема в том, что это удивительное свойство не распространяется на дырки в арсениде индия, которые ненамного более подвижны, чем дырки в кремнии. Это ограничение делает практически невозможным создание высокопроизводительного pFET, а отсутствие быстрого pFET исключает быстродействующую КМОП-схему, которая не рассчитана на очень большую разницу в скорости между nFET и pFET.

Одно из возможных решений — взять лучшее из каждого материала. Исследователи из различных институтов, таких как Европейская исследовательская организация по полупроводникам Imec и лаборатория IBM в Цюрихе, продемонстрировали способы создания схем, которые строят каналы nFET из материала III-V и каналы pFET из германия. Этот метод может привести к созданию очень быстрых схем, но он также усложняет производственный процесс.

По этой и другим причинам мы предпочитаем чисто германиевый подход. Германиевые каналы должны значительно повысить производительность, и ожидается, что производственные проблемы станут более решаемыми.

Чтобы заставить германий — или любой альтернативный материал канала — работать в массовом производстве, мы должны найти способ включения этого материала в кремниевые пластины размером с обеденную тарелку, которые используются для изготовления современных чипов. К счастью, есть несколько способов создать слой германия на кремниевой пластине, из которого затем можно сделать каналы. Использование тонкого слоя материала значительно смягчает две ключевые проблемы германия: тот факт, что этот материал дороже кремния, и что он является относительно плохим проводником тепла.

Но замена кремния в канале транзистора — это не просто нанесение тонкого высококачественного слоя германия. Канал должен без проблем работать с другими компонентами транзистора.

Транзистор в современных повсеместно распространенных КМОП-чипах представляет собой полевой транзистор металл-оксид-полупроводник, или МОП-транзистор. Он состоит из четырех основных частей. Есть исток и сток, которые являются местом происхождения и назначения тока; канал, который их соединяет; и затвор, который по сути представляет собой клапан, контролирующий, протекает ли ток через канал.

На самом деле внутри ультрасовременного транзистора есть несколько других компонентов. Одним из наиболее важных является изолятор затвора, который предотвращает короткое замыкание затвора и канала. Атомы в полупроводниках, таких как кремний, германий и соединения III-V, такие как арсенид галлия, расположены в трех измерениях. Невозможно создать идеально плоскую поверхность, поэтому атомы, находящиеся наверху канала, будут иметь несколько оборванных связей. Итак, что вам нужно, так это изолирующий слой, который соединяется с как можно большим количеством этих оборванных связей, процесс, называемый пассивацией. Если это не будет сделано хорошо, вы получите то, что можно было бы описать как «электрически ухабистый» канал, полный мест, где носители заряда могут временно застрять, снижая мобильность и, следовательно, скорость устройства.

 

Иллюстрация: Жан-Люк Форнье Альтернативные пути каналов: Существует несколько способов создания транзисторов с высокомобильными некремниевыми каналами. Один из подходов заключается в создании nFET из соединений III-V и pFET из германия, выращивая участки обоих материалов на кремниевой пластине с изолятором сверху [слева]. В качестве альтернативы оба КМОП-транзистора могут быть изготовлены из твердого слоя германия [справа], который может быть соединен с кремниевой пластиной (также покрытой изолятором).

К счастью, природа снабдила кремний высококачественным «родным» изолятором, хорошо сочетающимся с его кристаллической структурой: диоксидом кремния (SiO ₂ ). Хотя современные современные транзисторы содержат более экзотический изолятор, они по-прежнему содержат тонкий слой этого естественного оксида для пассивации кремниевого канала. Поскольку кремний и SiO ₂ структурно близки, хорошо сделанный слой SiO ₂ может связываться с 99 999 из каждых 100 000 оборванных связей, что примерно равно количеству их на каждый квадратный сантиметр кремния.

Арсенид галлия и другие материалы III-V не имеют собственных оксидов, в отличие от германия, что означает, что теоретически он должен быть идеальным материалом для пассивации канала германиевого транзистора. Проблема в том, что диоксид германия (GeO ₂ ) слабее, чем SiO ₂ , и может поглощать или даже растворяться в воде, используемой для очистки пластин в процессе производства чипов. Что еще хуже, трудно контролировать процесс выращивания GeO ₂ . Слой GeO ₂ Толщина 1 или 2 нанометра необходима для современного устройства, но трудно сделать слои тоньше примерно 20 нм.

Исследователи изучили несколько альтернатив. Профессор Стэнфордского университета Кришна Сарасват и его коллеги, подстегнувшие интерес к идее использования германия в качестве материала для альтернативных каналов еще в начале 2000-х годов, впервые исследовали диоксид циркония, который представляет собой изолятор с высоким коэффициентом теплопроводности, аналогичный используемому сегодня в -эффективные транзисторы. Основываясь на работе этой команды, группа из Imec в Левене, Бельгия, изучила, что можно сделать с ультратонким слоем кремния для улучшения интерфейса между германием и такими материалами с высоким коэффициентом теплопроводности.

Но германиевая пассивация сделала большой шаг вперед в 2011 году, когда группа под руководством профессора Шиничи Такаги из Токийского университета продемонстрировала способ контроля роста германиевого изолятора. Исследователи сначала вырастили на германиевом канале слой другого изолятора high-k, оксида алюминия, толщиной в нанометр. После того, как этот слой был выращен, ансамбль помещали в камеру, заполненную кислородом. Часть этого кислорода проходила через слой оксида алюминия к нижележащему германию, смешиваясь с германием, образуя тонкий слой оксида (сочетание германия и кислорода, но технически не GeO 9).0027 2 ). Оксид алюминия не только помогает контролировать процесс роста, но и действует как защитный колпачок для этого более слабого и менее стабильного слоя.

Мост к более высокой производительности: производители микросхем могут однажды обратиться к каналам из нанопроводов, таким как эти германиевые структуры. Нанопровода могут быть окружены воротами со всех сторон для дополнительного контроля. Фото: Heng Wu/Purdue University

Несколько лет назад, вдохновившись этим открытием и столкнувшись с трудностями, связанными с созданием pFET с каналами III-V, моя группа в Purdue начала исследовать способы создания транзисторов с германиевыми каналами. . Мы начали с использования германиевых пластин на изоляторе, разработанных французским производителем пластин Soitec. Эти пластины представляют собой стандартные кремниевые пластины, покрытые электроизолирующим слоем под слоем германия толщиной 100 нм.

С помощью этих пластин мы можем создавать транзисторы, в которых все стандартные кремниевые части — области истока, канала и стока — сделаны из германия. Это не обязательно тот способ, которым производители микросхем предпочли бы производить транзисторы, но для нас это был простой способ начать изучение основных свойств германиевых устройств.

Одним из первых препятствий, с которыми мы столкнулись, был поиск способа управления сопротивлением между истоком и стоком транзистора и металлическими электродами, соединяющими их с внешним миром. Это сопротивление возникает из-за естественного электронного барьера, называемого барьером Шоттки, который образуется, когда металл и полупроводник соприкасаются друг с другом. Кремниевые транзисторы бесконечно оптимизировались, чтобы сделать этот барьер как можно тоньше, чтобы носители заряда могли очень легко туннелировать через него. Однако получение аналогичного поведения в германиевом устройстве требует некоторых умных инженерных решений. Благодаря нюансам электронной структуры дырки довольно легко переходят из металла в германий, а электроны — нет. Это означает, что nFET, которые основаны на движении электронов через устройство, будут иметь очень высокое сопротивление, тратить тепло и потреблять лишь часть тока, необходимого для быстрых цепей.

Стандартный способ уменьшения толщины барьера состоит в том, чтобы добавить больше легирующих атомов в области истока и стока. Физика сложна, но подумайте об этом так: больше легирующих атомов означает больше свободных зарядов. И с этим изобилием свободных носителей заряда электрическое взаимодействие между металлическими электродами и полупроводниковыми областями истока и стока сильнее. Эта более сильная связь имеет тенденцию способствовать туннелированию зарядов через барьер.

К сожалению, этот метод не так хорошо работает в германии, как в кремнии; материал не может противостоять высокой концентрации электронодонорных легирующих примесей, которые необходимы для утончения барьера Шоттки. Но что мы можем сделать, так это пойти туда, где плотность легирующей примеси самая высокая.

Мы можем добиться этого, воспользовавшись тем фактом, что современные полупроводники легируются с помощью сверхвысоких электрических полей, которые вталкивают ионы в материал. Некоторые из этих легирующих атомов довольно быстро останавливаются; некоторые заходят довольно далеко. В конечном итоге вы получаете распределение, похожее на колоколообразную кривую: концентрация атомов легирующей примеси максимальна на некоторой глубине, а затем сужается по мере того, как вы уходите мельче или глубже. Если мы утопим электроды истока и стока в полупроводниковом материале, мы сможем привести их в контакт с самой высокой концентрацией легирующих атомов. Эта стратегия значительно уменьшает проблему контактного сопротивления.

 

Иллюстрация: Жан-Люк Форнье Going Deep: Легирование для настройки полупроводниковых свойств в германии сложнее, поэтому в одном из первых транзисторов, которые сделали Йе и его коллеги, использовались утопленные электроды истока и стока, чтобы достичь точки, в которой концентрация легирующей примеси в областях истока и стока был самым высоким. Этот «беспереходный» транзистор полностью легирован n, но со значительно меньшей концентрацией электронов в канале.

Независимо от того, используют ли производители микросхем эту стратегию для утончения барьера Шоттки в германии, это полезная демонстрация возможностей этого материала. Когда мы начинали наши исследования, лучшие германиевые nFET производили токи в 100 микроампер на каждый микрометр ширины. В 2014 году на Симпозиуме по технологиям и схемам СБИС на Гавайях мы сообщили о германиевых nFET с рекордным током стока примерно в 10 раз больше и более или менее на одном уровне с кремнием — неплохо для предварительной демонстрации. Примерно шесть месяцев спустя мы сообщили о первых схемах, содержащих как германиевые nFET, так и pFET, необходимое условие для создания современных логических микросхем.

С тех пор мы используем германий для создания более продвинутых конструкций транзисторов, таких как FinFET — современный уровень техники. Мы даже сделали транзисторы из нанопроволоки на основе германия, которые вполне могут заменить FinFET в ближайшие годы.

Эти усовершенствованные конструкции транзисторов, вероятно, потребуются для внедрения германия в массовое производство, поскольку они обеспечивают лучший контроль над каналом транзистора. Благодаря малой запрещенной зоне германия транзистору с германиевым каналом может потребоваться всего лишь четверть энергии, необходимой транзистору с кремниевым каналом для переключения в проводящее состояние. Это дает возможность работать с меньшим энергопотреблением, но также облегчает утечку тока через переключатель, когда он должен быть выключен. Устройство с улучшенным управлением каналами позволит производителям микросхем воспользоваться преимуществом малой ширины запрещенной зоны без ущерба для производительности переключения.

Мы хорошо начали, но нам предстоит еще много работы. Во-первых, необходимы дополнительные эксперименты в масштабе пластины, которые могут продемонстрировать транзисторы с высококачественными германиевыми каналами. Нам также необходимо внести усовершенствования в конструкцию устройства, чтобы повысить скорость.

Конечно, германий — не единственный вариант транзисторных каналов завтрашнего дня. Исследователи продолжают изучать материалы III-V, которые можно было бы использовать в дополнение к германию или самостоятельно. И на горизонте есть головокружительное множество других потенциальных улучшений транзисторов и способов их соединения. В этот список входят транзисторы из углеродных нанотрубок, вертикально ориентированные переключатели, трехмерные схемы, каналы, сделанные из смеси германия и олова, а также транзисторы, которые работают с помощью процесса, называемого квантовым туннелированием.