三五族半导体将无限延长摩尔定律寿命?

2014-09-17 08:54:06来源: 互联网

    美商 POET Technologies 预言,砷化镓(Gallium arsenide,GaAs)很快就会取代矽,成为高性能晶片的材料选择;而曾任职于贝尔实验室(Bell Labs)的该公司共同创办人暨首席科学家Geoff Taylor表示,上述论点自1980年代就已经被提出。

    Taylor指出,相较于矽,砷化镓能在提升电晶体性能的同时,整合光学电路的功能;这些特质能带来更高的性能以及创新的晶片架构,并因此让摩尔定律(Moore's Law)寿命无限延长。“数位逻辑矽晶片在4GHz就会遇到瓶颈,但我们今日已经能制造小型的砷化镓类比电路,切换频率达到100GHz,而且在不远的将来还能进一步达到400GHz;”他在接受EETimes美国版编辑访问时表示:“只要加上POET打造的光学发射器以及探测器做为晶片上光学互连。”

    在同一颗晶片上结合标准逻辑单元以及光学元件,是设计方法上的一大改变,POET是取得了EDA供应商Synopsys的协助,才成功设计出光电混合元件;举例来说,光学回路能实现超低抖动振荡器,且频宽高于矽材料。POET也打算以多波长方式,打造超精密的类比数位转换器,透过将电压编码为波长,用更低功耗以及更少元件产出更高解析度以及位元率。

    其他砷化镓这类三五族半导体(III-V)材料超越矽的优势,包括较低的操作电压──藉由应变量子阱(strained quantum wells)达到最低0.3V,电子迁移率12,000 cm2/ (V·s)──POET表示,如此能将三五族晶片功耗降低十倍以上。不过目前砷化镓晶圆片比矽晶元的成本高出许多;对此Taylor表示,新一代矽晶片采用的FD-SOI制程,成本其实与砷化镓差不多。

    大多数三五族元素,包括铟(In)、镓(Ga)、砷(As)以及磷(phosphorous,P),都有比矽更高的电子迁移率,但在制造上也有特定的问题使得它们无法取代矽材料;换句话说,缺乏数位电路的强化元件,以及缺乏互补设计的p通道电晶体。在打造能在上面同时制作出n型与p型电晶体的基板之前,POET已经发现了一个方法,能在砷化铟镓以及砷化镓晶圆片上长出连续层(successive layer),每一层都有一点铟。

    p型电晶体最终可在应变砷化铟镓量子阱中,以大约1900 cm2/(V·s)的电洞迁移率被制作出来,而n型电晶体的迁移率更高、达8500 cm2/ (V·s);至于矽的迁移率仅1200 cm2/ (V·s)。POET期望能将n型电晶体的迁移率提升至12,000,以实现超高数位逻辑率的互补HFET。

POET技术开发历程

    在任职于贝尔实验室时所开发的三五族晶片技术专利过期之前数年,Taylor就转往康乃狄克大学(University of Connecticut)工作,后来他也在那里重新开始进行贝尔实验室的研发题目,不过将内容由单个n通道的电/光混合技术,转为双通道电/光混合技术的开发,期望能在未来藉由互补性的电/光电路,让摩尔定律寿命无限制延长。

    Taylor将该技术命名为平面光电技术(Planar Opto Electronic Technology,POET),康乃狄克大学已经取得专利,是POET的独家授权者。POET公司技术长Daniel DeSimone表示:“我们的平面电子技术PET,是超越过去以类NMOS电路架构为基础的砷化镓技术之一大进展,因为我们拥有可整合的平面式光学与电子元件能互补,因此能用 CMOS制程。”

    POET的电晶体通道是砷化铟镓材料,如果将镓去掉(也就是纯块状砷化铟),理论上能达到40,000 cm2/ (V·s)的迁移率。不过POET表示,那是无法达成的、只能尽可能接近;到目前为止,该公司已经将电晶体通道的铟成分提升至53%,并有信心可进一步提升至80%。

    “我们是以一种愚弄大自然的独特变性方法,藉由改变晶格常数(lattice constant)来达成上述结果;”Tylor表示:“首先,我们以砷化镓为基底,在其上堆叠一层又一层1微米(micron)厚的砷化铟镓应变层,直到产生与磷化铟(InP)晶格常数相对应的天然量子阱。以上的成分控制室是以分子束磊晶(Molecular-beam epitaxy,MBE)技术来进行。”

    POET已经与一家第三方晶圆代工业者签署合作协议,预计在今年稍晚以0.1微米制程实际验证其技术,并在2015年迈向40奈米制程节点;这听起来似乎落后已经来到20奈米节点、甚至14奈米节点的矽技术许多,不过POET强调这种比较是不公平的,其40奈米制程元件的性能应该要与14奈米或10奈米矽晶片来比较。

    DeSimone表示:“我们的40奈米砷化镓元件在速度上领先矽晶片三个制程世代,在功耗上则领先四个世代,而整合密度是差不多的;因此40奈米制程的砷化镓元件,应该要在速度上与14奈米矽晶片比较,在功耗上则是与10奈米矽晶片比较。”

关键字:三五族半导体  摩尔定律

编辑:刘燚 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/manufacture/2014/0917/article_10395.html
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