Кремний–германий
Химическое соединение

SiGe ( / ˈ s ɪ ɡ iː / или / ˈ s aɪ dʒ iː / ), или кремний–германий , представляет собой сплав с любым молярным соотношением кремния и германия , т. е. с молекулярной формулой вида Si 1− x Ge x . Он обычно используется в качестве полупроводникового материала в интегральных схемах (ИС) для гетеропереходных биполярных транзисторов или в качестве слоя, вызывающего деформацию , для КМОП- транзисторов. IBM внедрила эту технологию в массовое производство в 1989 году. [1] Эта относительно новая технология открывает возможности в проектировании и производстве ИС для схем со смешанными сигналами и аналоговых схем . SiGe также используется в качестве термоэлектрического материала для высокотемпературных приложений (>700 К).

История

Первая статья о SiGe была опубликована в 1955 году и посвящена магнитосопротивлению сплавов кремния и германия. [2] Первое упоминание о SiGe-устройствах было фактически в оригинальном патенте на биполярный транзистор, где идея базы SiGe в гетеропереходном биполярном транзисторе (HBT) обсуждалась с описанием физики в 1957 году. [3] Первый эпитаксиальный рост гетероструктур SiGe, который требуется для транзистора, был продемонстрирован только в 1975 году Эрихом Каспером и коллегами из исследовательского центра AEG (теперь Daimler Benz) в Ульме, Германия, с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE). [4]

Производство

Использование кремния-германия в качестве полупроводника отстаивал Берни Мейерсон . [5] Проблема, которая задержала его реализацию на десятилетия, заключалась в том, что атомы германия примерно на 4% больше атомов кремния. При обычных высоких температурах, при которых изготавливались кремниевые транзисторы, деформация, вызванная добавлением этих более крупных атомов в кристаллический кремний, производила огромное количество дефектов, что исключало возможность использования полученного материала. Мейерсон и его коллеги обнаружили [6] , что тогдашнее считавшееся требование высокотемпературной обработки было ошибочным, позволяя выращивать SiGe при достаточно низких температурах [7], так что для всех практических целей дефекты не образовывались. После устранения этого основного препятствия было показано, что полученные SiGe-материалы могут быть изготовлены в высокопроизводительной электронике [8] с использованием обычных недорогих наборов инструментов для обработки кремния . Что еще более важно, производительность полученных транзисторов намного превышала то, что тогда считалось пределом традиционно производимых кремниевых устройств, что позволило создать новое поколение недорогих коммерческих беспроводных технологий [9], таких как WiFi. Процессы SiGe достигают затрат, аналогичных затратам на производство кремниевых КМОП, и ниже, чем затраты других гетеропереходных технологий, таких как арсенид галлия . Недавно органогерманиевые прекурсоры (например, изобутилгерманий , трихлориды алкилгермания и трихлорид диметиламиногермания) были исследованы как менее опасные жидкие альтернативы германию для осаждения методом MOVPE пленок, содержащих Ge, таких как Ge высокой чистоты, SiGe и напряженный кремний . [10] [11]

Услуги по литейному производству SiGe предлагают несколько компаний, работающих в сфере полупроводниковых технологий. AMD раскрыла совместную разработку с IBM для технологии SiGe-напряженного кремния [12] , нацеленную на 65-нм процесс. TSMC также продает производственные мощности SiGe.

В июле 2015 года IBM объявила, что создала рабочие образцы транзисторов с использованием 7-нм кремниево-германиевого процесса, пообещав четырехкратное увеличение количества транзисторов по сравнению с современным процессом. [13]

SiGe транзисторы

SiGe позволяет интегрировать логику КМОП с гетеропереходными биполярными транзисторами , [14] что делает ее пригодной для интегральных схем со смешанными сигналами . [15] Гетеропереходные биполярные транзисторы имеют более высокий прямой коэффициент усиления и более низкий обратный коэффициент усиления, чем традиционные гомопереходные биполярные транзисторы . Это приводит к лучшим низкотоковым и высокочастотным характеристикам. Будучи технологией гетероперехода с регулируемой шириной запрещенной зоны , SiGe предлагает возможность более гибкой настройки запрещенной зоны , чем технология, основанная только на кремнии.

Кремний-германий на изоляторе (SGOI) — это технология, аналогичная технологии кремний-германий на изоляторе (SOI), которая в настоящее время используется в компьютерных чипах. SGOI увеличивает скорость транзисторов внутри микрочипов за счет напряжения кристаллической решетки под затвором МОП-транзистора , что приводит к улучшению подвижности электронов и более высоким токам управления. SiGe MOSFET также могут обеспечивать меньшую утечку перехода из-за меньшего значения ширины запрещенной зоны SiGe. [ необходима цитата ] Однако основной проблемой SGOI MOSFET является невозможность образования стабильных оксидов с кремнием-германием с использованием стандартной обработки окисления кремния.

Термоэлектрическое применение

Термоэлектрические свойства SiGe были впервые измерены в 1964 году , причем p-SiGe имел ZT до ~0,7 при 1000˚C, а n-SiGe ZT до ~1,0 при 1000˚C [16], которые являются одними из самых высокопроизводительных термоэлектриков при высоких температурах. Кремний-германиевый термоэлектрический прибор MHW-RTG3 использовался в космических аппаратах Voyager 1 и 2. [17] Кремний-германиевые термоэлектрические приборы также использовались в других MHW-RTG и GPHS-RTG на борту Cassini , Galileo , Ulysses . [18]

Световое излучение

Контролируя состав гексагонального сплава SiGe, исследователи из Эйндховенского технического университета разработали материал, который может излучать свет. [19] В сочетании с его электронными свойствами это открывает возможность создания лазера, интегрированного в один чип, чтобы обеспечить передачу данных с использованием света вместо электрического тока, ускоряя передачу данных, одновременно снижая потребление энергии и потребность в системах охлаждения. Международная команда с ведущими авторами Элхамом Фадали, Аленом Дейкстрой и Эриком Баккерсом из Эйндховенского технического университета в Нидерландах и Йенсом Рене Зуккертом из Йенского университета имени Фридриха Шиллера в Германии была удостоена награды «Прорыв года 2020» от журнала Physics World . [20]

Смотрите также

Ссылки

  1. ↑ Уэллетт, Дженнифер (июнь/июль 2002 г.). «Кремний–германий дает полупроводникам преимущество». Архивировано 17 мая 2008 г. в Wayback Machine , The Industrial Physicist .
  2. ^ Гликсман, Морис (1955). «Магнитосопротивление сплавов германия с кремнием». Physical Review . 100 (4): 1146– 1147. doi :10.1103/PhysRev.100.1146.
  3. ^ Кремер, Герберт (1957). «Теория широкозонного эмиттера для транзисторов». Труды IRE . 45 (11): 1535– 1537. doi :10.1109/JRPROC.1957.278348. ISSN  2162-6634.
  4. ^ Каспер, Эрих; Херцог, Х. Дж.; Киббель, Х. (1975). «Одномерная сверхрешетка SiGe, выращенная методом эпитаксии сверхвысокого вакуума». Прикладная физика . 8 (3): 199– 205. doi :10.1007/BF00896611. ISSN  1432-0630.
  5. ^ Мейерсон, Бернард С. (март 1994 г.). «Высокоскоростная кремниево-германиевая электроника». Scientific American . 270 (3): 62– 67. Bibcode : 1994SciAm.270c..62M. doi : 10.1038/scientificamerican0394-62.
  6. ^ «Бистабильные условия для низкотемпературной эпитаксии кремния», Бернард С. Мейерсон, Франц Химпсель и Кевин Дж. Урам, Appl. Phys. Lett. 57, 1034 (1990).
  7. ^ BS Meyerson, «Выращивание Si и сплавов Si:Ge методом сверхвысокого вакуума/химического осаждения из газовой фазы: химия, физика и применение в устройствах», в Трудах IEEE , т. 80, № 10, стр. 1592-1608, октябрь 1992 г., doi: 10.1109/5.168668.
  8. ^ "75 ГГц гетеропереходный биполярный транзистор на основе   SiGe", GL Patton, JH Comfort, BS Meyerson, EF Crabbe, GJ Scilla, E. DeFresart, JMC Stork, JY-C. Sun, DL Harame и J. Burghartz, Electron. Dev. Lett. 11, 171 (1990).
  9. ^ «SiGe HBTs достигают рубежа микроволнового и миллиметрового диапазона», C. Kermarrec, T. Tewksbury, G. Dave, R. Baines, B. Meyerson, D. Harame и M. Gilbert, Труды конференции 1994 года по биполярным/биКМОП-схемам и технологиям, Миннеаполис, Миннесота, 10-11 октября 1994 г., спонсируемой IEEE, (1994).
  10. ^ Woelk, Egbert; Shenai-Khatkhate, Deodatta V.; DiCarlo, Ronald L.; Amamchyan, Artashes; Power, Michael B.; Lamare, Bruno; Beaudoin, Grégoire; Sagnes, Isabelle (январь 2006 г.). «Разработка новых органогерманиевых OMVPE-прекурсоров для высокочистых германиевых пленок». Journal of Crystal Growth . 287 (2): 684– 687. Bibcode : 2006JCrGr.287..684W. doi : 10.1016/j.jcrysgro.2005.10.094.
  11. ^ Шенай, Део В.; ДиКарло, Рональд Л.; Пауэр, Майкл Б.; Амамчян, Арташес; Гойетт, Рэндалл Дж.; Воелк, Эгберт (январь 2007 г.). «Более безопасные альтернативные жидкие германиевые прекурсоры для релаксационных градиентных слоев SiGe и напряженного кремния с помощью MOVPE». Журнал по росту кристаллов . 298 : 172– 175. Bibcode : 2007JCrGr.298..172S. doi : 10.1016/j.jcrysgro.2006.10.194.
  12. ^ AMD и IBM представили новые, более производительные и энергоэффективные 65-нм техпроцессы на встрече ведущих научно-исследовательских компаний отрасли, получено 16 марта 2007 г.
  13. ^ Маркофф, Джон (9 июля 2015 г.). «IBM раскрывает рабочую версию чипа гораздо большей емкости». The New York Times .
  14. ^ «200-мм SiGe HBT BiCMOS-технология для приложений со смешанными сигналами», К. Шёненберг, М. Гилберт, Г. Д. Берг, С. Ву, М. Сойер, К. А. Толман, К. Дж. Штейн, Р. А. Гроувс, С. Суббанна, Д. Б. Колавито, Д. А. Сандерленд и Б. С. Мейерсон, «Труды конференции по биполярным/биКМОП-схемам и технологиям 1995 г.», стр. 89–92, 1995 г.
  15. ^ Кресслер, Дж. Д.; Ниу, Г. (2003). Кремний-германиевые гетеропереходные биполярные транзисторы. Artech House. стр. 13.
  16. ^ Dismukes, JP; Ekstrom, E.; Beers, DS; Steigmeier, EF; Kudman, I. (1964). "Тепловые и электрические свойства сильно легированных сплавов Ge-Si до 1300 °K". Journal of Applied . 35 (10): 2899. doi :10.1063/1.1713126. ISSN  0021-8979.
  17. ^ "Хронология истории термоэлектричества". Alphabet Energy . Архивировано из оригинала 2019-08-17.
  18. ^ GL Bennett; JJ Lombardo; RJ Hemler; G. Silverman; CW Whitmore; WR Amos; EW Johnson; A. Schock; RW Zocher; TK Keenan; JC Hagan; RW Englehart (26–29 июня 2006 г.). Миссия отваги: ​​универсальный радиоизотопный термоэлектрический генератор тепла (PDF) . 4-я Международная конференция и выставка по инжинирингу преобразования энергии (IECEC). Сан-Диего, Калифорния.
  19. ^ Фадали, Элхам, штат Монтана; Дийкстра, Ален; Сукерт, Йенс Рене; Зисс, Дориан; ван Тилбург, Марвин Эй.Дж.; Мао, Чэньян; Рен, Ичжэнь; ван Ланге, Виктор Т.; Корзун, Ксения; Кёллинг, Себастьян; Верхейен, Марсель А.; Буссе, Дэвид; Рёдль, Клаудия; Фуртмюллер, Юрген; Бехштедт, Фридхельм; Штангл, Джулиан; Финли, Джонатан Дж.; Ботти, Сильвана ; Хаверкорт, Джос ЭМ; Баккерс, Эрик ПАМ (апрель 2020 г.). «Прямозонная эмиссия из гексагональных сплавов Ge и SiGe». Природа . 580 (7802): 205– 209. arXiv : 1911.00726 . Bibcode :2020Natur.580..205F. doi :10.1038/s41586-020-2150-y. PMID  32269353. S2CID  207870211.
  20. ^ Хэмиш Джонстон (10 декабря 2020 г.). «Physics World объявляет финалистов конкурса «Прорыв года» 2020 года». Physics World .

Дальнейшее чтение

  • Раминдерпал Сингх; Модест М. Опрыско; Дэвид Хараме (2004). Кремний-германий: технология, моделирование и проектирование . IEEE Press / John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-66091-0.
  • Джон Д. Кресслер (2007). Схемы и приложения с использованием кремниевых гетероструктурных устройств . CRC Press. ISBN 978-1-4200-6695-1.
  • Ge-прекурсоры для напряженных кремниевых и сложных полупроводников; Semiconductor International , 1 апреля 2006 г.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Silicon–germanium&oldid=1267886111"