¿Cuáles son algunas alternativas al silicio para hacer transistores? He leído sobre el nitruro de galio y el grafeno, y supongo que deben existir otras posibilidades. ¿Cuáles son las compensaciones (por ejemplo, rendimiento, requisitos de potencia, conductividad térmica, costo, etc.)?
Respuestas
12/18/2024
Bernice
Silicio
Si es barato, se puede refinar a purezas ridículas y, como tal, es un excelente material en general. Sin embargo, su movilidad de electrones es baja cuando se coloca en un dispositivo, ya que necesitará algún tipo de dopaje, por lo que reduce su 'movilidad decente' como Sarthak Singhal dice. Además, el Si se oxida fácilmente en mica, SiO2 y, a diferencia del CO2, la mica es un aislante vidrioso, transparente y sólido. Sin embargo, el Si es un material de banda prohibida indirecta, por lo que es una mala elección para la optoelectrónica (diodos LASER, LED superluminiscentes, amplificadores ópticos, acopladores).
Las celdas tensas de Si como Si-Ge son viejas noticias. Intel ha encontrado poco margen de mejora con respecto a esta tecnología 2004-2006, y ahora está buscando cambiar la forma de la puerta. Lamentablemente, los detalles exactos se mantienen en secreto. Se sabe que para obtener una constante dieléctrica de alto k utilizaron óxidos metálicos exóticos como el HfO. es posible realizar ingeniería inversa en el proceso en términos de dimensiones, probablemente adivinar los niveles de dopaje y demás. ¿Pero en cuanto a los contenidos reales de las estructuras metálicas? Pocas personas tienen la experiencia y el presupuesto para duplicar ese tipo de trabajo.
Ser un material de banda prohibida indirecta también tiene implicaciones en las interconexiones. Existe un impulso general en la industria para avanzar hacia las interconexiones ópticas, debido a la inmunidad al ruido y la velocidad. Pero si los cables de aluminio en chip (o el cobre si se usa el proceso Damascene) deben reemplazarse con guías de ondas ópticas, el Si no es el mejor material para eso. Las interconexiones se están convirtiendo en el principal factor limitante en VLSI, no en los transistores en sí, que, en mi opinión, en un nodo de 22 nm deberían tener fácilmente un Ft de 25 GHz.
Heterouniones
Los materiales de heterounión son inestables como estructura cristalina. No inherentemente, pero mucho menos estable que C o Si. GaAs, GaN, AlGaAs ... todos los materiales III-V, y en mayor grado los materiales II-VI CdS, ZnO, etc.
Ge y C exhiben propiedades similares al Si como materiales del grupo IV. Sin embargo, los dispositivos Ge tienen características térmicas de deriva y estabilidad. C como grafeno y nanotubos con quiralidades variables son nuevos contendientes, y como tal su uso a largo plazo en dispositivos es incierto. En particular, existen preocupaciones con respecto a los residuos de nanotubos largos y su toxicidad para el tejido humano.
El carburo de silicio es una alternativa a los transistores de Si puro. Ofrece una mayor movilidad y más potencial para cambiar, pero tiene un potencial de crecimiento limitado. Los módulos MOSFET de potencia de hoy en día son SiC, pero GaN de primera generación (y que pronto se lanzará a pequeña escala de segunda generación) se están poniendo al día muy rápidamente y, de vez en cuando, los superan. SiC es una especie de aventura, pero permite jugar con muchos alótropos.
Semiconductores III-V
(13-15 para tus nerds de química)
GaAs es en general frágil y tiene propiedades más pobres que GaN para su uso en transistores, aunque es extremadamente ventajoso para dispositivos ópticos. Encuentra usos en algunos transistores de microondas especializados de bajo volumen como HEMT y MESFET, pero a largo plazo, esperaría que GaN lo anule, al menos en algunas aplicaciones. La mayoría de los materiales utilizados junto con GaAs son alguna forma de material cerámico, con baja conductividad térmica. El calor atrapado significa fallas tempranas para tales dispositivos.
GaAs siempre estuvo a la vanguardia de la tecnología de próxima generación, debido a su conveniencia en el uso en las bandas de infrarrojo cercano de 0.8um a 1.3um (comunicaciones ópticas). Los dispositivos GaAs tienden a ser muy específicos, dispositivos de alto rendimiento donde un reemplazo no sería una molestia. Los nuevos tipos de dispositivos obtienen confiabilidad en 5k-100k horas. Esto está en territorio bombilla! Por otro lado, es el material III-V mejor estudiado y, de hecho, podemos construir sistemas altamente confiables en capas individuales de átomos a la vez.
En p se utiliza para la mayoría de los optoelectrónicos desarrollados comercialmente debido a la estabilidad de este material. Sin embargo, no tiene las mejores movilidades y tiene un alto voltaje directo en un dispositivo práctico. Al menos es un material de banda prohibida directa. InP es el material de elección para los láseres de larga distancia de 1.55um que alimentan la fibra óptica submarina.
GaN es increíblemente estable con la temperatura y tiene un intervalo de banda directo (aunque grande, aproximadamente el doble que el de GaAs). Los MOSFET de GaN funcionarán como MOSFET (muestran regiones de saturación) incluso a 2 ° C. De manera ineficiente, pero esto está muy por encima de los 600C de Si y los 175C de SiC. El único problema es hacer un paquete que permita ese tipo de temperaturas altas. GaN también es un material muy resistente y se puede cultivar en más direcciones en comparación con GaAs. GaN permite una frecuencia de operación muy alta, y debido a que tiene una buena movilidad de agujeros y electrones, reacciona bien a la conmutación de MHz (esto es inaudito en los transistores de potencia). Solo pruébalo con un Si MOSFET de alta gama: ¡explotará en tu cara con solo unos pocos mA! GaN como un intervalo de banda directo es adecuado para las longitudes de onda azul-violeta, y generalmente requiere mucho bombeo para funcionar, por lo que al menos en fotónica, nunca será un reemplazo directo para GaAs.
Galio Es un metal débil y blando, con un punto de fusión a 29 ° C. Estas son muchas de las razones por las cuales los cristales que incluyen Ga no son muy fuertes. (también su dureza de escala MOHS es de solo 1.5). El galio se dispersa fácilmente en los sistemas de aluminio y reacciona con el oxígeno fácilmente como el aluminio. Al comparar Si con C, Ga es un átomo más pesado y tiene más dificultades para formar enlaces con el ángulo apropiado, por lo que no se cristaliza en FCC, de ahí la naturaleza mucho más blanda del metal a granel.
GaAs absorbe el oxígeno del aire en su retícula y, como tal, nunca debe dejarse expuesto, especialmente si se combina con el aluminio fácilmente oxidado que combina la retícula. Los procesos de activación de GaN también presentan energías bastante bajas, ya que el nitruro se libera naturalmente del material. Dichos dispositivos requieren capas de pasivación complejas, que aumentan considerablemente el costo. Una losa de Si permanecerá más o menos así después de formar un límite de grano de óxido. Y hablando de óxido, GaAs no admite fácilmente uno, por lo que se deben utilizar aleaciones complejas. Esto se traduce en un mayor procesamiento, tiempo y, por lo tanto, más costoso. Obviamente, en un dispositivo real, el mantenlo simple, estúpido se aplica la regla: más cosas salen mal en las superficies intermetálicas. El estudio de la fase intermetálica y las interacciones cristalográficas están a la vanguardia de la química inorgánica y la ciencia de los materiales, incluso si los problemas se conocen más o menos desde mediados de los años 60.
II-VI los semiconductores son muy interesantes porque la mayoría proporciona un intervalo de banda muy estrecho, pero a expensas de la baja confiabilidad. Estos materiales son a menudo óxidos y sulfuros. El problema con esto es que la mayoría de las técnicas de crecimiento de óxido de metal dan como resultado una estructura porosa y desigual que los procesos rápidos de recocido térmico no pueden reparar. Estos tendrán poca adherencia y son físicamente frágiles. Mientras que la mayoría de los cristales puros tienen una calificación de dureza entre 7.5 y 10, los óxidos van en los bajos 0-2s. Tóquelos y se desmoronan para pegar. II-VI se usan ocasionalmente en células solares, pero la mayoría de las veces se explotan debido a sus características térmicas. Las placas Peltier / los enfriadores termoeléctricos usan tales uniones para bombear calor de un lado al otro. También puede generar electricidad de esta manera, no de manera muy eficiente.
En general es posible crear dispositivos de muy alto rendimiento con estos materiales, por ejemplo, podría hacer un interruptor MOSFET con 3-5 electrones en su puerta, pero eso es obviamente un cajero indeseable porque atrae capas muy delgadas que entran en efectos de energía. , particularmente debido a túneles.
La tolerancia del proceso para III-V es demasiado pobre en comparación con el Si maduro para intentarlo cómodamente más allá de la investigación pura. No es que no sea factible, pero es mucho más difícil atraer a un inversor a un producto que podría tener un rendimiento pobre (por lo tanto, no es una gran ganancia en comparación con el Si). Con estos productos, tiende a apuntar a un nicho de mercado (dispositivos médicos o de alta precisión) que puede justificar el costo de tener algunos chips malos en una oblea.
Entonces, ¿por qué no hacemos heterouniones en todas partes si son tan controlables? Es más difícil obtener un rendimiento súper alto, que reduce las ganancias. Hay una razón por la cual los diodos láser especializados cuestan tanto por pieza: ¡pueden estar perdiendo dinero por cada uno que hacen!
El grafeno
Hasta hace muy poco, no se sabía cómo hacer un comportamiento FET utilizable con grafeno. Por accidente, se descubrió que el grafeno puede recordar estados de magnetización para que pueda actuar como un interruptor simplemente cambiando un campo eléctrico (muy parecido a un FET, pero sin un canal, porque el grafeno es un semimetal y conduce de todos modos). Por el momento, Graphene es altamente experimental y pierde toda su magia una vez que se convierte en una capa 3D (grafito) Ya tenemos una buena idea de cómo cultivar hojas, pero hacer un dispositivo a gran escala (cualquier CPU) aún está fuera de nuestro alcance. Es indudablemente un material tecnológicamente importante, pero hay demasiada publicidad, ya que el rendimiento del grafeno disminuye drásticamente si la monocapa es menos que perfecta (y eso es un serio desafío tecnológico).
En pocas palabras
A medida que la nanotecnología esté más disponible, Si seguirá manteniendo su estado como el rey de los dispositivos, pero será reemplazado por GaN HEMTs / HBTs / MESFETs para aplicaciones de nicho (conmutación de potencia, transistores de GHz superiores).
Es probable que el CMOS futuro, o el reemplazo equivalente, no cambie en absoluto, sino que dependa de las cantidades de energía por debajo del umbral. Vth en un MOSFET de alto rendimiento de 2013 ya es muy bajo, a ~ 0.2V, y es físicamente imposible reducir aún más esto a nuestro conocimiento actual. Existen modelos teóricos de tales supercristales a temperatura ambiente que aparentemente desafían las reglas de la termodinámica, pero nadie que yo conozca ha construido algo por el estilo todavía. Sin embargo, en 20 años, estoy seguro de que habrá una generación incipiente de nanoelectrónica por debajo del umbral. ¿Qué material? No estoy seguro. El grafeno aún se reserva muchas propiedades desconocidas, pero tampoco hemos aprovechado todo el potencial de la red de Si.
Aunque para el futuro lejano (¿próximos 50 años?), Apostaría por los materiales de carbono. C tiene las capas de electrones superiores más cerca del núcleo, por lo tanto, tienen más energía. El diamante tiene una excelente movilidad y, si se dopa correctamente, podría crear dispositivos increíbles.
Final Debido a su abundancia natural, facilidad de procesamiento y menor costo general, Silicon seguirá en uso en el futuro previsible (40 años). Para la mayoría de las aplicaciones sin pretensiones es simplemente "lo suficientemente bueno".
Edición: 12 de noviembre de 2013, errores corregidos, errores tipográficos, mejor formato 20 de junio de 2014: más correcciones, más información sobre heterouniones
Si tiene el tiempo y el dinero, vale la pena visitar los tres observatorios, todos ofrecen experiencias únicas.Si se trata de un enfrentamiento, aquí están mis pensamientos:One World Observatory vs Empire State BuildingOne World Observatory tiene excelentes vistas del distrito financiero a continuación, el río Hudson y el East River, y el noreste de Nueva Jersey (incluyendo Lady Liberty).One World...
Silicio
Si es barato, se puede refinar a purezas ridículas y, como tal, es un excelente material en general. Sin embargo, su movilidad de electrones es baja cuando se coloca en un dispositivo, ya que necesitará algún tipo de dopaje, por lo que reduce su 'movilidad decente' como Sarthak Singhal dice. Además, el Si se oxida fácilmente en mica, SiO2 y, a diferencia del CO2, la mica es un aislante vidrioso, transparente y sólido.
Sin embargo, el Si es un material de banda prohibida indirecta, por lo que es una mala elección para la optoelectrónica (diodos LASER, LED superluminiscentes, amplificadores ópticos, acopladores).
Las celdas tensas de Si como Si-Ge son viejas noticias. Intel ha encontrado poco margen de mejora con respecto a esta tecnología 2004-2006, y ahora está buscando cambiar la forma de la puerta. Lamentablemente, los detalles exactos se mantienen en secreto. Se sabe que para obtener una constante dieléctrica de alto k utilizaron óxidos metálicos exóticos como el HfO. es posible realizar ingeniería inversa en el proceso en términos de dimensiones, probablemente adivinar los niveles de dopaje y demás. ¿Pero en cuanto a los contenidos reales de las estructuras metálicas? Pocas personas tienen la experiencia y el presupuesto para duplicar ese tipo de trabajo.
Ser un material de banda prohibida indirecta también tiene implicaciones en las interconexiones. Existe un impulso general en la industria para avanzar hacia las interconexiones ópticas, debido a la inmunidad al ruido y la velocidad. Pero si los cables de aluminio en chip (o el cobre si se usa el proceso Damascene) deben reemplazarse con guías de ondas ópticas, el Si no es el mejor material para eso. Las interconexiones se están convirtiendo en el principal factor limitante en VLSI, no en los transistores en sí, que, en mi opinión, en un nodo de 22 nm deberían tener fácilmente un Ft de 25 GHz.
Heterouniones
Los materiales de heterounión son inestables como estructura cristalina. No inherentemente, pero mucho menos estable que C o Si. GaAs, GaN, AlGaAs ... todos los materiales III-V, y en mayor grado los materiales II-VI CdS, ZnO, etc.
Ge y C exhiben propiedades similares al Si como materiales del grupo IV. Sin embargo, los dispositivos Ge tienen características térmicas de deriva y estabilidad. C como grafeno y nanotubos con quiralidades variables son nuevos contendientes, y como tal su uso a largo plazo en dispositivos es incierto. En particular, existen preocupaciones con respecto a los residuos de nanotubos largos y su toxicidad para el tejido humano.
El carburo de silicio es una alternativa a los transistores de Si puro. Ofrece una mayor movilidad y más potencial para cambiar, pero tiene un potencial de crecimiento limitado. Los módulos MOSFET de potencia de hoy en día son SiC, pero GaN de primera generación (y que pronto se lanzará a pequeña escala de segunda generación) se están poniendo al día muy rápidamente y, de vez en cuando, los superan. SiC es una especie de aventura, pero permite jugar con muchos alótropos.
Semiconductores III-V
(13-15 para tus nerds de química)GaAs es en general frágil y tiene propiedades más pobres que GaN para su uso en transistores, aunque es extremadamente ventajoso para dispositivos ópticos. Encuentra usos en algunos transistores de microondas especializados de bajo volumen como HEMT y MESFET, pero a largo plazo, esperaría que GaN lo anule, al menos en algunas aplicaciones. La mayoría de los materiales utilizados junto con GaAs son alguna forma de material cerámico, con baja conductividad térmica. El calor atrapado significa fallas tempranas para tales dispositivos.
GaAs siempre estuvo a la vanguardia de la tecnología de próxima generación, debido a su conveniencia en el uso en las bandas de infrarrojo cercano de 0.8um a 1.3um (comunicaciones ópticas). Los dispositivos GaAs tienden a ser muy específicos, dispositivos de alto rendimiento donde un reemplazo no sería una molestia. Los nuevos tipos de dispositivos obtienen confiabilidad en 5k-100k horas. Esto está en territorio bombilla! Por otro lado, es el material III-V mejor estudiado y, de hecho, podemos construir sistemas altamente confiables en capas individuales de átomos a la vez.
En p se utiliza para la mayoría de los optoelectrónicos desarrollados comercialmente debido a la estabilidad de este material. Sin embargo, no tiene las mejores movilidades y tiene un alto voltaje directo en un dispositivo práctico. Al menos es un material de banda prohibida directa. InP es el material de elección para los láseres de larga distancia de 1.55um que alimentan la fibra óptica submarina.
GaN es increíblemente estable con la temperatura y tiene un intervalo de banda directo (aunque grande, aproximadamente el doble que el de GaAs). Los MOSFET de GaN funcionarán como MOSFET (muestran regiones de saturación) incluso a 2 ° C. De manera ineficiente, pero esto está muy por encima de los 600C de Si y los 175C de SiC. El único problema es hacer un paquete que permita ese tipo de temperaturas altas.
GaN también es un material muy resistente y se puede cultivar en más direcciones en comparación con GaAs.
GaN permite una frecuencia de operación muy alta, y debido a que tiene una buena movilidad de agujeros y electrones, reacciona bien a la conmutación de MHz (esto es inaudito en los transistores de potencia). Solo pruébalo con un Si MOSFET de alta gama: ¡explotará en tu cara con solo unos pocos mA!
GaN como un intervalo de banda directo es adecuado para las longitudes de onda azul-violeta, y generalmente requiere mucho bombeo para funcionar, por lo que al menos en fotónica, nunca será un reemplazo directo para GaAs.
Galio Es un metal débil y blando, con un punto de fusión a 29 ° C. Estas son muchas de las razones por las cuales los cristales que incluyen Ga no son muy fuertes. (también su dureza de escala MOHS es de solo 1.5). El galio se dispersa fácilmente en los sistemas de aluminio y reacciona con el oxígeno fácilmente como el aluminio. Al comparar Si con C, Ga es un átomo más pesado y tiene más dificultades para formar enlaces con el ángulo apropiado, por lo que no se cristaliza en FCC, de ahí la naturaleza mucho más blanda del metal a granel.
GaAs absorbe el oxígeno del aire en su retícula y, como tal, nunca debe dejarse expuesto, especialmente si se combina con el aluminio fácilmente oxidado que combina la retícula. Los procesos de activación de GaN también presentan energías bastante bajas, ya que el nitruro se libera naturalmente del material. Dichos dispositivos requieren capas de pasivación complejas, que aumentan considerablemente el costo. Una losa de Si permanecerá más o menos así después de formar un límite de grano de óxido. Y hablando de óxido, GaAs no admite fácilmente uno, por lo que se deben utilizar aleaciones complejas. Esto se traduce en un mayor procesamiento, tiempo y, por lo tanto, más costoso. Obviamente, en un dispositivo real, el mantenlo simple, estúpido se aplica la regla: más cosas salen mal en las superficies intermetálicas. El estudio de la fase intermetálica y las interacciones cristalográficas están a la vanguardia de la química inorgánica y la ciencia de los materiales, incluso si los problemas se conocen más o menos desde mediados de los años 60.
II-VI los semiconductores son muy interesantes porque la mayoría proporciona un intervalo de banda muy estrecho, pero a expensas de la baja confiabilidad. Estos materiales son a menudo óxidos y sulfuros. El problema con esto es que la mayoría de las técnicas de crecimiento de óxido de metal dan como resultado una estructura porosa y desigual que los procesos rápidos de recocido térmico no pueden reparar. Estos tendrán poca adherencia y son físicamente frágiles. Mientras que la mayoría de los cristales puros tienen una calificación de dureza entre 7.5 y 10, los óxidos van en los bajos 0-2s. Tóquelos y se desmoronan para pegar.
II-VI se usan ocasionalmente en células solares, pero la mayoría de las veces se explotan debido a sus características térmicas. Las placas Peltier / los enfriadores termoeléctricos usan tales uniones para bombear calor de un lado al otro. También puede generar electricidad de esta manera, no de manera muy eficiente.
En general es posible crear dispositivos de muy alto rendimiento con estos materiales, por ejemplo, podría hacer un interruptor MOSFET con 3-5 electrones en su puerta, pero eso es obviamente un cajero indeseable porque atrae capas muy delgadas que entran en efectos de energía. , particularmente debido a túneles.
La tolerancia del proceso para III-V es demasiado pobre en comparación con el Si maduro para intentarlo cómodamente más allá de la investigación pura. No es que no sea factible, pero es mucho más difícil atraer a un inversor a un producto que podría tener un rendimiento pobre (por lo tanto, no es una gran ganancia en comparación con el Si). Con estos productos, tiende a apuntar a un nicho de mercado (dispositivos médicos o de alta precisión) que puede justificar el costo de tener algunos chips malos en una oblea.
Entonces, ¿por qué no hacemos heterouniones en todas partes si son tan controlables? Es más difícil obtener un rendimiento súper alto, que reduce las ganancias. Hay una razón por la cual los diodos láser especializados cuestan tanto por pieza: ¡pueden estar perdiendo dinero por cada uno que hacen!
El grafeno
Hasta hace muy poco, no se sabía cómo hacer un comportamiento FET utilizable con grafeno. Por accidente, se descubrió que el grafeno puede recordar estados de magnetización para que pueda actuar como un interruptor simplemente cambiando un campo eléctrico (muy parecido a un FET, pero sin un canal, porque el grafeno es un semimetal y conduce de todos modos).
Por el momento, Graphene es altamente experimental y pierde toda su magia una vez que se convierte en una capa 3D (grafito) Ya tenemos una buena idea de cómo cultivar hojas, pero hacer un dispositivo a gran escala (cualquier CPU) aún está fuera de nuestro alcance.
Es indudablemente un material tecnológicamente importante, pero hay demasiada publicidad, ya que el rendimiento del grafeno disminuye drásticamente si la monocapa es menos que perfecta (y eso es un serio desafío tecnológico).
En pocas palabras
A medida que la nanotecnología esté más disponible, Si seguirá manteniendo su estado como el rey de los dispositivos, pero será reemplazado por GaN HEMTs / HBTs / MESFETs para aplicaciones de nicho (conmutación de potencia, transistores de GHz superiores).
Es probable que el CMOS futuro, o el reemplazo equivalente, no cambie en absoluto, sino que dependa de las cantidades de energía por debajo del umbral. Vth en un MOSFET de alto rendimiento de 2013 ya es muy bajo, a ~ 0.2V, y es físicamente imposible reducir aún más esto a nuestro conocimiento actual. Existen modelos teóricos de tales supercristales a temperatura ambiente que aparentemente desafían las reglas de la termodinámica, pero nadie que yo conozca ha construido algo por el estilo todavía. Sin embargo, en 20 años, estoy seguro de que habrá una generación incipiente de nanoelectrónica por debajo del umbral. ¿Qué material? No estoy seguro. El grafeno aún se reserva muchas propiedades desconocidas, pero tampoco hemos aprovechado todo el potencial de la red de Si.
Aunque para el futuro lejano (¿próximos 50 años?), Apostaría por los materiales de carbono. C tiene las capas de electrones superiores más cerca del núcleo, por lo tanto, tienen más energía. El diamante tiene una excelente movilidad y, si se dopa correctamente, podría crear dispositivos increíbles.
Final
Debido a su abundancia natural, facilidad de procesamiento y menor costo general, Silicon seguirá en uso en el futuro previsible (40 años). Para la mayoría de las aplicaciones sin pretensiones es simplemente "lo suficientemente bueno".
Edición: 12 de noviembre de 2013, errores corregidos, errores tipográficos, mejor formato
20 de junio de 2014: más correcciones, más información sobre heterouniones