砷化銦可替代硅應(yīng)用于電子設(shè)備

美國物理學(xué)家組織網(wǎng)11月23日?qǐng)?bào)道，美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家成功地將厚度僅為10納米的超薄半導(dǎo)體砷化銦層集成在一個(gè)硅襯底上，制造出一塊納米晶體管，其電學(xué)性能優(yōu)異，在電流密度和跨導(dǎo)方面也表現(xiàn)突出，可與同樣尺寸的硅晶體管相媲美。該研究結(jié)果發(fā)表在最新一期《自然》雜志上。
盡管硅擁有很多令人驚奇的電子特性，但這些特性已經(jīng)快被利用到極限，科學(xué)家一直在尋找能替代硅的半導(dǎo)體材料，以制造未來的電子設(shè)備。伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)分部的首席科學(xué)家、加州大學(xué)伯克利分校電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授艾里·杰維表示，最新的研究證明，半導(dǎo)體家族Ⅲ—Ⅴ族化合物中的一個(gè)成員砷化銦具有超強(qiáng)的電子遷移率和電子遷移速度，可以成為性能優(yōu)異的“硅替身”，用于制造未來低能耗、高速率的電子設(shè)備。
一直以來研究人員面臨的挑戰(zhàn)是如何將Ⅲ—Ⅴ族化合物半導(dǎo)體同現(xiàn)有的生產(chǎn)硅基設(shè)備的低成本處理技術(shù)相結(jié)合，因?yàn)楣韬廷蟆踝寤衔锇雽?dǎo)體之間存在著巨大的晶格失配度，讓這些化合物半導(dǎo)體直接在硅襯底上進(jìn)行異質(zhì)外延生長面臨著巨大挑戰(zhàn)，并可能導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)大量缺陷。
杰維表示，他們使用了一種外延轉(zhuǎn)移方法，通過絕緣體上化合物半導(dǎo)體(XOI)平臺(tái)，將超薄的單晶砷化銦層轉(zhuǎn)移到硅/二氧化硅襯底上，然后用傳統(tǒng)的處理技術(shù)制造出了該晶體管設(shè)備。研究表明，該XOI技術(shù)平臺(tái)與絕緣體上覆硅(SOI)工藝一樣。
為了制造出XOI平臺(tái)，杰維團(tuán)隊(duì)在一個(gè)初級(jí)源襯底上種植了單晶砷化銦薄膜(其厚度為10納米到100納米)，接著采用石板印刷的方式將薄膜蝕刻成有序的納米帶陣列，再用濕法刻蝕技術(shù)將該納米帶陣列從源襯底上移走，最后使用沖壓工藝將其轉(zhuǎn)移到硅/二氧化硅襯底上。
杰維認(rèn)為，砷化銦化合物半導(dǎo)體薄層的尺寸非常小，再加上量子局限效應(yīng)讓該材料的帶狀結(jié)構(gòu)和傳輸性能相協(xié)調(diào)，因此，所得到的半導(dǎo)體具有優(yōu)異的電學(xué)性能。盡管他們僅僅使用了砷化銦，但該技術(shù)應(yīng)該同樣適用于其他Ⅲ—Ⅴ族化合物半導(dǎo)體。
杰維表示，新技術(shù)可以直接將高性能的光電二極管、激光二極管以及發(fā)光二極管集成在傳統(tǒng)的硅襯底上，下一步他們將研究該過程是否可以擴(kuò)展來制造8英寸和12英寸芯片，而且該技術(shù)應(yīng)該能使科學(xué)家在同一塊芯片上制造出P型和N型半導(dǎo)體。該技術(shù)的獨(dú)特性還在于，它使科學(xué)家能夠研究僅幾個(gè)原子層厚的無機(jī)半導(dǎo)體的屬性。