功率半導(dǎo)體：鍺和 SiGe 可能獲得另一次機(jī)會

有時，一項引發(fā)根本性或戲劇性進(jìn)步的技術(shù)或技術(shù)很快就會被最初創(chuàng)新的變化或改進(jìn)所取代，鍺基晶體管就是一個很好的例子。75 年前的 1947 年，當(dāng)約翰·巴丁 (John Bardeen)、沃爾特·布拉頓 (Walter Brattain) 和威廉·肖克利 (William Schockley) 開發(fā)并展示了第一個晶體管(一種點接觸器件)時，固態(tài)和現(xiàn)代電子時代誕生了。他們的晶體管使用摻雜的鍺，金箔觸點用小彈簧推到表面。

這種點接觸器件制造難度大，成品率低。因此，到 1948 年底，Schockley 設(shè)計了雙極結(jié)型晶體管，消除了棘手的點接觸排列，并很快成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。此外，由于優(yōu)越的溫度相關(guān)屬性、較低的成本和更廣泛的原材料可用性，硅成為首選的半導(dǎo)體材料。

鍺的正向壓降確實較低，約為 0.4 V，而硅為 0.7 V。然而，更高的硅壓降被它的許多其他優(yōu)點所抵消。

現(xiàn)在，當(dāng)然，半導(dǎo)體世界主要基于硅。是的，我們有用于特殊應(yīng)用的氮化鎵 (GaN)、砷化鎵 (GaAs)，甚至碳化硅 (SiC)，但絕大多數(shù)固態(tài)設(shè)備都是硅基的。鍺的電子應(yīng)用僅限于少數(shù)專用硅鍺 (SiGe) 器件，但它肯定不是主流工藝，盡管這種化合物的載流子遷移率可能是標(biāo)準(zhǔn)硅的兩到三倍。

您仍然可以從 NTE Electronics 等供應(yīng)商處購買基于 Ge 的晶體管，并且 eBay 上有許多未使用和使用過的產(chǎn)品，但它們完全不在主流范圍內(nèi)。鍺現(xiàn)在的主要應(yīng)用是在光學(xué)系統(tǒng)中，因為它對 8 至 14 微米熱波段的紅外光相對透明。這使得它非常適合熱成像系統(tǒng)中的鏡頭系統(tǒng)和光學(xué)窗口。

一些音頻愛好者認(rèn)為鍺晶體管的聲音比硅器件好;但這是我們現(xiàn)在不會進(jìn)行的討論。

然而，鍺和 SiGe 可能會獲得另一次機(jī)會。最近，由 Technische Universit?t Wien (TU Wien/Vienna) 領(lǐng)導(dǎo)的多機(jī)構(gòu)團(tuán)隊設(shè)計了一種方法來克服與復(fù)合硅和鍺器件相關(guān)的可靠接觸的主要問題。

潛在的問題是，每個半導(dǎo)體表面在傳統(tǒng)工藝中都會受到固有污染，尤其是氧原子會在材料表面迅速積累并形成氧化層。對于硅，這是一個可控的情況，因為它總是形成相同種類的氧化物。然而，對于鍺，可以形成各種不同的氧化物。這意味著不同的納米電子設(shè)備可能具有非常不同的表面成分，因此具有不同的電子特性。

這給建立關(guān)鍵聯(lián)系帶來了問題。即使您以完全相同的方式生產(chǎn)所有這些組件，在原子級別仍然不可避免地存在顯著差異。這個可重復(fù)性問題是個大問題;在將觸點置于富含鍺的硅上之后，無法保證最終的電子元件是否真的具有預(yù)期的屬性。

論文“Si 1?x Ge x Nanosheets with Monolithic Single-Elementary Al Contacts 中的 Composition Dependent Electrical Transport”描述了如何使用極高質(zhì)量的結(jié)晶鋁和復(fù)雜的硅-鍺層系統(tǒng)開發(fā)觸點。這使得與鍺具有不同的、獨特的接觸特性，特別適用于光電和量子元件。

為了克服這一困境，TU Wien/Vienna 的團(tuán)隊開發(fā)了一種方法，可以在原子尺度上在鋁觸點和硅-鍺組件之間創(chuàng)建完美的界面，如下圖所示。第一步，使用薄硅層和制造電子元件的實際材料——硅-鍺制造層系統(tǒng)。

這是熱誘導(dǎo) Al-Si 1?x Ge x交換后的 Al-Si 1?x Ge x -Al 異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖和顯示實際器件的假彩色掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。放大視圖顯示了外延生長的 Si-Si 1?x Ge x Si 疊層的示意圖，該疊層整體嵌入所提出的金屬-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中。整個軸向 Al-Si 1?x Ge x -Al 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的 STEM 圖像和 EDX 圖概覽與 Al 觸點整體集成。

然后，通過以受控方式加熱結(jié)構(gòu)，在鋁和硅之間建立接觸。獨特的擴(kuò)散發(fā)生在大約 500°C 時，原子離開原來的位置并開始遷移。硅和鍺原子相對較快地移動到鋁觸點中，鋁填充空出的空間。

結(jié)果是鋁和硅鍺之間的界面，中間有一層極薄的硅層。在這個過程中，氧原子永遠(yuǎn)沒有機(jī)會到達(dá)這個原子級尖銳和高純度的界面。

該團(tuán)隊認(rèn)為，高質(zhì)量的觸點可以大量生產(chǎn)，從而產(chǎn)生各種新型納米電子、光電和量子器件。因此，誰知道呢，鍺和 SiGe 可能還會有另一個機(jī)會與基礎(chǔ)硅和其他專業(yè)工藝技術(shù)一起大放異彩。

另一方面，眾所周知，從實驗室到可行生產(chǎn)的道路是一條艱難的道路，有許多技術(shù)、產(chǎn)量和成本障礙，有時收益得不償失?？纯催@種發(fā)展是否會導(dǎo)致鍺在半導(dǎo)體世界中發(fā)揮更大更好的作用將會很有趣。

復(fù)合鍺器件能否卷土重來，或者與主流硅器件相比在技術(shù)和成本方面的負(fù)面影響是否太大?它會繼續(xù)是“指日可待”的改進(jìn)嗎?