Кремний-германий

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 с гетеропереходом биполярных транзисторов или в качестве деформационного слоя для КМОП- транзисторов. IBM внедрила эту технологию в массовое производство в 1989 году. ^{[ 1 ]} Эта относительно новая технология открывает возможности в разработке и производстве схем смешанных сигналов и аналоговых схем . SiGe также используется в качестве термоэлектрического материала для высокотемпературных применений (>700 К).

Производство

Использование кремния-германия в качестве полупроводника отстаивал Берни Мейерсон . ^{[ 2 ]} Проблема, которая задержала его реализацию на десятилетия, заключалась в том, что атомы германия примерно на 4% крупнее атомов кремния. При обычных высоких температурах, при которых изготавливались кремниевые транзисторы, деформация, вызванная добавлением этих более крупных атомов в кристаллический кремний, приводила к появлению огромного количества дефектов, исключающих какое-либо использование полученного материала. Мейерсон и его коллеги обнаружили ^{[ 3 ]} что тогдашнее мнение о необходимости высокотемпературной обработки было ошибочным, поскольку позволяло расти SiGe при достаточно низких температурах. ^{[ 4 ]} так, чтобы для всех практических целей не образовывалось никаких дефектов. После устранения этого основного препятствия было показано, что полученные материалы SiGe можно использовать для производства высокопроизводительной электроники. ^{[ 5 ]} с использованием обычных недорогих наборов инструментов для обработки кремния . Что еще более важно, производительность полученных транзисторов намного превысила то, что тогда считалось пределом традиционно производимых кремниевых устройств, что позволило создать новое поколение недорогих коммерческих беспроводных технологий. ^{[ 6 ]} например Wi-Fi. Процессы SiGe достигают затрат, аналогичных затратам на производство кремниевых КМОП, и ниже, чем у других технологий гетеропереходов, таких как арсенид галлия . Недавно германийорганические предшественники (например , изобутилгерман , трихлориды алкилгермания и трихлорид диметиламиногермания) были исследованы как менее опасные жидкие альтернативы герману для осаждения методом MOVPE пленок, содержащих Ge, таких как Ge высокой чистоты, SiGe и напряженный кремний . ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

SiGe Услуги литья предлагают несколько компаний, занимающихся полупроводниковыми технологиями. AMD объявила о совместной разработке с IBM технологии кремния под напряжением SiGe. ^{[ 9 ]} ориентируясь на процесс 65 нм. TSMC также продает производственные мощности SiGe.

В июле 2015 года IBM объявила, что создала рабочие образцы транзисторов с использованием кремний-германиевого процесса 7 нм , обещая увеличение количества транзисторов в четыре раза по сравнению с современным процессом. ^{[ 10 ]}

SiGe транзисторы

SiGe позволяет интегрировать КМОП-логику с биполярными транзисторами с гетеропереходом . ^{[ 11 ]} что делает его пригодным для интегральных схем со смешанными сигналами . ^{[ 12 ]} Биполярные транзисторы с гетеропереходом имеют более высокий прямой коэффициент усиления и более низкий обратный коэффициент усиления, чем традиционные биполярные транзисторы с гомопереходом . Это приводит к улучшению слаботочных и высокочастотных характеристик. 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 на изоляторе (SOI), используемой в настоящее время 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 увеличению токов возбуждения. SiGe MOSFET также могут обеспечить меньшую утечку на переходе благодаря более низкой величине запрещенной зоны SiGe. ^{[ нужна ссылка ]} Однако основной проблемой SGOI MOSFET является неспособность образовывать стабильные оксиды кремний-германий с использованием стандартной обработки окисления кремния.

Термоэлектрическое применение

Кремний-германиевый термоэлектрический прибор MHW-RTG3 использовался в космических кораблях «Вояджер-1» и «Вояджер -2» . ^{[ 13 ]} Кремний-германиевые термоэлектрические устройства также использовались в других MHW-РТГ и GPHS-РТГ на борту «Кассини» , «Галилео» , «Улисса» . ^{[ 14 ]}

Световое излучение

Контролируя состав гексагонального сплава SiGe, исследователи из Технологического университета Эйндховена разработали материал, способный излучать свет. ^{[ 15 ]} В сочетании с его электронными свойствами это открывает возможность создания лазера, интегрированного в один чип, который позволит передавать данные с использованием света вместо электрического тока, ускоряя передачу данных при одновременном снижении потребления энергии и необходимости в системах охлаждения. Международная команда во главе с ведущими авторами Эльхамом Фадали, Аленом Дейкстрой и Эриком Баккерсом из Эйндховенского технологического университета в Нидерландах и Йенсом Рене Сукертом из Йенского университета имени Фридриха Шиллера «Прорыв года 2020 в Германии была удостоена награды журнала Physics ». Мир . ^{[ 16 ]}

См. также

Ссылки

^ Уэллетт, Дженнифер (июнь/июль 2002 г.). «Кремний-германий дает полупроводникам преимущество» . Архивировано 17 мая 2008 г. в Wayback Machine , The Industrial Physicist .
^ Мейерсон, Бернард С. (март 1994 г.). «Высокоскоростная кремниево-германиевая электроника». Научный американец . 270 (3): 62–67. Бибкод : 1994SciAm.270c..62M . doi : 10.1038/scientificamerican0394-62 .
^ «Бистабильные условия для низкотемпературной эпитаксии кремния», Бернард С. Мейерсон, Франц Химпсель и Кевин Дж. Урам, Appl. Физ. Летт. 57, 1034 (1990).
^ Б. С. Мейерсон, «Выращивание сплавов Si и Si:Ge в сверхвысоком вакууме/CVD: химия, физика и применение устройств», в Proceedings of the IEEE , vol. 80, нет. 10, стр. 1592–1608, октябрь 1992 г., doi: 10.1109/5.168668.
^ базе SiGe 75 ГГц _{«Биполярный транзистор с гетеропереходом на} », Г. Л. Паттон, Дж. Х. Комфорт, Б. С. Мейерсон, Э. Ф. Крэбб, Г. Дж. Сцилла, Э. ДеФресарт, JMC Stork, JY-C. Сан, Д.Л. Хараме и Дж. Бургарц, Электрон. Дев. Летт. 11, 171 (1990).
^ «SiGe HBT достигают границы микроволнового и миллиметрового диапазона», К. Кермаррек, Т. Тьюксбери, Г. Дэйв, Р. Бейнс, Б. Мейерсон, Д. Хараме и М. Гилберт, Труды биполярных / биКМОП-схем 1994 г. & Technology Meeting, Миннеаполис, Миннесота, 10–11 октября 1994 г., спонсируется IEEE (1994 г.).
^ Вулк, Эгберт; Шенаи-Хатхате, Деодатта В.; ДиКарло, Рональд Л.; Амамчян, Арташес; Пауэр, Майкл Б.; Ламаре, Бруно; Бодуан, Грегуар; Санье, Изабель (январь 2006 г.). «Разработка новых германийорганических предшественников OMVPE для пленок германия высокой чистоты». Журнал роста кристаллов . 287 (2): 684–687. Бибкод : 2006JCrGr.287..684W . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2005.10.094 .
^ Шенаи, Део В.; ДиКарло, Рональд Л.; Пауэр, Майкл Б.; Амамчян, Арташес; Гойетт, Рэндалл Дж.; Вулк, Эгберт (январь 2007 г.). «Более безопасные альтернативные жидкие предшественники германия для расслабленных градуированных слоев SiGe и напряженного кремния с помощью MOVPE». Журнал роста кристаллов . 298 : 172–175. Бибкод : 2007JCrGr.298..172S . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2006.10.194 .
^ AMD и IBM представляют новые, более производительные и энергоэффективные 65-нм техпроцессы на собрании ведущих научно-исследовательских фирм отрасли , получено 16 марта 2007 г.
^ Маркофф, Джон (9 июля 2015 г.). «IBM раскрывает рабочую версию чипа гораздо большей емкости» . Нью-Йорк Таймс .
^ «Технология SiGe HBT BiCMOS 200 мм для приложений со смешанными сигналами», К. Шоненберг, М. Гилберт, Г. Д. Берг, С. Ву, М. Сойер, К. А. Таллман, К. Дж. Стейн, Р. А. Гровс, С. Суббанна, Д. Б. Колавито, Д.А. Сандерленд и Б.С. Мейерсон, Труды 1995 г. по биполярным/биКМОП-схемам и Технологическое совещание, стр. 89–92, 1995 г.
^ Кресслер, доктор медицинских наук; Ню, Г. (2003). Биполярные кремниево-германиевые транзисторы с гетеропереходом . Артех Хаус. п. 13.
^ «Хронология истории термоэлектрики» . Алфавитная энергия . Архивировано из оригинала 17 августа 2019 г.
^ Г.Л. Беннетт; Джей Джей Ломбардо; Р. Дж. Хемлер; Г. Сильверман; К.В. Уитмор; В.Р. Амос; Э. У. Джонсон; А. Шок; Р.В. Зохер; Т. К. Кинан; Дж. К. Хэган; Р.В. Энглхарт (26–29 июня 2006 г.). Смелая миссия: универсальный радиоизотопный термоэлектрический генератор с источником тепла (PDF) . 4-я Международная конференция и выставка по технологиям преобразования энергии (IECEC). Сан-Диего, Калифорния.
^ 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 Э.М.; Баккерс, Эрик ПАМ (апрель 2020 г.). «Прямозонная эмиссия из гексагональных сплавов Ge и SiGe». Природа . 580 (7802): 205–209. arXiv : 1911.00726 . Бибкод : 2020Nature.580..205F . дои : 10.1038/s41586-020-2150-y . ПМИД 32269353 . S2CID 207870211 .
^ Хэмиш Джонстон (10 декабря 2020 г.). « Мир физики объявляет финалистов конкурса «Прорыв года» 2020 года» . Мир физики .

Дальнейшее чтение

Раминдерпал Сингх; Модест М. Оприско; Дэвид Хараме (2004). Кремний-германий: технология, моделирование и дизайн . IEEE Press / Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-66091-0 .
Джон Д. Кресслер (2007). Схемы и приложения с использованием кремниевых гетероструктурных устройств . ЦРК Пресс. ISBN 978-1-4200-6695-1 .

Внешние ссылки

Прекурсоры Ge для напряженного кремния и сложных полупроводников ; Semiconductor International , 1 апреля 2006 г.

[1] Уэллетт, Дженнифер (июнь/июль 2002 г.). «Кремний-германий дает полупроводникам преимущество» . Архивировано 17 мая 2008 г. в Wayback Machine , The Industrial Physicist .

[2] Мейерсон, Бернард С. (март 1994 г.). «Высокоскоростная кремниево-германиевая электроника». Научный американец . 270 (3): 62–67. Бибкод : 1994SciAm.270c..62M . doi : 10.1038/scientificamerican0394-62 .

[3] «Бистабильные условия для низкотемпературной эпитаксии кремния», Бернард С. Мейерсон, Франц Химпсель и Кевин Дж. Урам, Appl. Физ. Летт. 57, 1034 (1990).

[4] Б. С. Мейерсон, «Выращивание сплавов Si и Si:Ge в сверхвысоком вакууме/CVD: химия, физика и применение устройств», в Proceedings of the IEEE , vol. 80, нет. 10, стр. 1592–1608, октябрь 1992 г., doi: 10.1109/5.168668.

[5] базе SiGe 75 ГГц _{«Биполярный транзистор с гетеропереходом на} », Г. Л. Паттон, Дж. Х. Комфорт, Б. С. Мейерсон, Э. Ф. Крэбб, Г. Дж. Сцилла, Э. ДеФресарт, JMC Stork, JY-C. Сан, Д.Л. Хараме и Дж. Бургарц, Электрон. Дев. Летт. 11, 171 (1990).

[6] «SiGe HBT достигают границы микроволнового и миллиметрового диапазона», К. Кермаррек, Т. Тьюксбери, Г. Дэйв, Р. Бейнс, Б. Мейерсон, Д. Хараме и М. Гилберт, Труды биполярных / биКМОП-схем 1994 г. & Technology Meeting, Миннеаполис, Миннесота, 10–11 октября 1994 г., спонсируется IEEE (1994 г.).

[7] Вулк, Эгберт; Шенаи-Хатхате, Деодатта В.; ДиКарло, Рональд Л.; Амамчян, Арташес; Пауэр, Майкл Б.; Ламаре, Бруно; Бодуан, Грегуар; Санье, Изабель (январь 2006 г.). «Разработка новых германийорганических предшественников OMVPE для пленок германия высокой чистоты». Журнал роста кристаллов . 287 (2): 684–687. Бибкод : 2006JCrGr.287..684W . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2005.10.094 .

[8] Шенаи, Део В.; ДиКарло, Рональд Л.; Пауэр, Майкл Б.; Амамчян, Арташес; Гойетт, Рэндалл Дж.; Вулк, Эгберт (январь 2007 г.). «Более безопасные альтернативные жидкие предшественники германия для расслабленных градуированных слоев SiGe и напряженного кремния с помощью MOVPE». Журнал роста кристаллов . 298 : 172–175. Бибкод : 2007JCrGr.298..172S . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2006.10.194 .

[9] AMD и IBM представляют новые, более производительные и энергоэффективные 65-нм техпроцессы на собрании ведущих научно-исследовательских фирм отрасли , получено 16 марта 2007 г.

[10] Маркофф, Джон (9 июля 2015 г.). «IBM раскрывает рабочую версию чипа гораздо большей емкости» . Нью-Йорк Таймс .

[11] «Технология SiGe HBT BiCMOS 200 мм для приложений со смешанными сигналами», К. Шоненберг, М. Гилберт, Г. Д. Берг, С. Ву, М. Сойер, К. А. Таллман, К. Дж. Стейн, Р. А. Гровс, С. Суббанна, Д. Б. Колавито, Д.А. Сандерленд и Б.С. Мейерсон, Труды 1995 г. по биполярным/биКМОП-схемам и Технологическое совещание, стр. 89–92, 1995 г.

[12] Кресслер, доктор медицинских наук; Ню, Г. (2003). Биполярные кремниево-германиевые транзисторы с гетеропереходом . Артех Хаус. п. 13.

[13] «Хронология истории термоэлектрики» . Алфавитная энергия . Архивировано из оригинала 17 августа 2019 г.

[14] Г.Л. Беннетт; Джей Джей Ломбардо; Р. Дж. Хемлер; Г. Сильверман; К.В. Уитмор; В.Р. Амос; Э. У. Джонсон; А. Шок; Р.В. Зохер; Т. К. Кинан; Дж. К. Хэган; Р.В. Энглхарт (26–29 июня 2006 г.). Смелая миссия: универсальный радиоизотопный термоэлектрический генератор с источником тепла (PDF) . 4-я Международная конференция и выставка по технологиям преобразования энергии (IECEC). Сан-Диего, Калифорния.

[15] 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 Э.М.; Баккерс, Эрик ПАМ (апрель 2020 г.). «Прямозонная эмиссия из гексагональных сплавов Ge и SiGe». Природа . 580 (7802): 205–209. arXiv : 1911.00726 . Бибкод : 2020Nature.580..205F . дои : 10.1038/s41586-020-2150-y . ПМИД 32269353 . S2CID 207870211 .

[16] Хэмиш Джонстон (10 декабря 2020 г.). « Мир физики объявляет финалистов конкурса «Прорыв года» 2020 года» . Мир физики .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]