Umetno obarvana slika slike FET tunela (SEM) od zgoraj po metalizaciji, narejena z elektronskim mikroskopom. Zasluge: Convertino et al.
V zadnjih nekaj desetletjih so neverjeten napredek v elektronski industriji delno spodbudile novosti na ravni enega tranzistorja. Tranzistor je polprevodniška naprava, ki lahko prevaja, izolira in ojačuje električni tok znotraj elektronskih vezij. Gradnja hitrejših in manjših tranzistorjev je bil eden glavnih ciljev polprevodniške industrije.
Kovinsko oksidni tranzistorji s poljskim učinkom (MOSFET) so zadnjih nekaj let najbolj običajna in najpogosteje uporabljena vrsta tranzistorjev. Ena njihovih največjih omejitev je neučinkovitost pri veliki moči, kar je posledica njihove nezmožnosti zmanjšanja napetosti ob hkratnem omejevanju toka uhajanja neprevodnega stanja.
Nova in alternativna vrsta tranzistorja, imenovana tunelski tranzistor s poljskim učinkom (TFET), lahko to omejitev premaga z izkoriščanjem kvantno-mehanskega tuneliranja namesto s termionskimi emisijami. TFET-i, zlasti tisti s III-V heterostrukturo, zahtevajo manj kot 60 mV nihanja napetosti vrat, da povzročijo spremembo toka ponorja pri sobnih temperaturah za en red velikosti. Kljub manjši porabi energije TFET-i še niso dosegli izjemne hitrosti in energetske učinkovitosti MOSFET-ov pri višjih pogonskih napetostih.
Raziskovalci IBM Research Europe in École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) so pred kratkim razvili prvi hibriden tranzistor na osnovi silicija, ki združuje III-V tunelske FET-e in običajne MOSFET-e. Tehnologija, ki so jo razvili in je predstavljena v prispevku objavljenem v Nature Electronics, združuje prednosti dveh različnih oblik tranzistorjev.
“Predstavili smo prvo hibridno tehnološko platformo, ki združuje III-V tunelske FET-e in MOSFET-e s prilagodljivim postopkom in je primerna za obsežno proizvodnjo polprevodnikov,” je za TechXplore povedala Clarissa Convertino, ena od raziskovalcev, ki je izvedla študijo. “Takšna tehnološka platforma z majhno močjo utira pot prihodnji energetsko učinkoviti elektroniki s končnim ciljem zmanjšati ogljični odtis IKT industrije.”
Slika: 3D shematski prikaz, ki predstavlja razvito tehnološko platformo. MOSFET (na levi) se od tunelskega FET (na desni) razlikuje le po uporabi različnih materialov v izvornem območju tranzistorja. Zasluge: Convertino et al.
Nova platforma, ki so jo razvili Convertino in njeni sodelavci, izkorišča sinergije med tunelskimmi FET-i in MOSFET-i, saj uporabnikom omogoča izvajanje hibridnih logičnih blokov, prilagojenih edinstvenim specifikam vsake vrste naprav. V začetnih ocenah je skalirana III-V hibridna naprava TFET-MOSFET dosegla najmanjši naklon 42 mV dec-1 za TFET-e in 62 mV dec-1 za MOSFET-e.
“Tunelski FET-i zagotavljajo nižje slepe tokove in imajo dobre zmogljivosti pri nizkih napetostih, medtem ko so MOSFET-i hitrejši (pri enaki dimenziji in prednapetosti) in zagotavljajo večjo tokovno zmogljivost,” je pojasnil Convertino. “Razviti postopek izdelave je enak za obe napravi, razen za en sam korak maskiranja in epitaksije, ki se odpira za izdelavo resnično hibridnih logičnih blokov. Poleg tega naši tunelski FET-i kažejo rekordno zmogljivost pri najmanjši dolžini vrat, vsaj kolikor je nam poznano.”
Izjemna zmogljivost, ki jo je dosegla naprava raziskovalcev, je delno posledica njihove uvedbe koraka samonastavitve zamenjave vira. Na njihovi platformi je dejansko položaj vira GaAsSb določen z digitalnim jedkanjem, postopkom, ki jim omogoča odstranjevanje materiala s kontrolnikom v območju nanometrov.
Convertino in njeni kolegi so bili prvi, ki so učinkovito predstavili integracijo heterojunkcijskega tunelskega FET-a v ravnini v napredno hibridno platformo z uporabo nadomestnih tehnologij metal-gate in tehologije distančnika. Tehnologija, ki so jo ustvarili, bi lahko v prihodnosti omogočila razvoj hitrejših in učinkovitejših elektronskih naprav, ki združujejo prednosti tranzistorjev TFET in MOSFET.
“V naslednjih študijah bomo raziskovali potencial razvite platforme in njenih aplikacij v različnih delovnih pogojih, na primer pri kriogenih temperaturah, vse do milli Kelvinovega režima,” je dejal Convertino. “Elektronika z izjemno majhno močjo je še posebej zanimiva za kvantne računalnike.”
Vir: https://techxplore.com/news/2021-03-hybrid-technology-combines-iii-v-tunnel.html
Avtorica: Ingrid Fadelli , Tech Xplore
2021/295
