InGaAs为计算机晶体管带来希望

CSC化合物半导体 · 2020-12-17

麻省理工学院的研究人员认为,InGaAs可能具有制造更小,更节能的纳米级晶体管的潜力

麻省理工学院的研究人员发现,InGaAs可能具有制造更小、更节能的晶体管的潜力。以前,研究人员认为InGaAs晶体管的性能会在小尺度下退化。但是新的研究表明,这种明显退化不是材料本身的固有特性。

这一发现有朝一日有助于推动计算能力和效率超越硅。“我们真的很兴奋。”该研究的主要人员Xiaowei Cai说,“我们希望这一结果能够鼓励业内继续探索使用InGaAs作为晶体管的通道材料。”

Xiaowei Cai现就职于Analog Devices公司,当时是作为麻省理工学院微系统技术实验室和电子工程与计算机科学系(EECS)的博士生完成了这项研究。其论文“纳米级InGaAs FinFETs中的弹道迁移率和注入速度”将于本月在虚拟的IEEE国际电子器件会议上发表。

即使在低电压下,电子也可以轻松穿过InGaAs。InGaAs晶体管可以快速处理信号,从而加快计算速度。另外,InGaAs晶体管可以在相对较低的电压下运行,这意味着它们可以提高计算机的能源效率。因此,InGaAs似乎是一种很有前途的计算机晶体管材料。

但是有一个陷阱。

InGaAs有利电子传输的性能似乎会在制造更快、更密集的计算机处理器所需的小尺度下退化。这个问题使一些研究人员得出结论,即纳米级InGaAs晶体管根本不适合这项任务。但是,Cai说,这是一种误解。

该团队发现,InGaAs的小尺寸性能问题部分归因于氧化物陷阱。这种现象会导致电子在试图流过晶体管时被卡住。“晶体管被认为是作开关用的。你希望可以接通电压,产生大量电流。”Cai说,“但是,如果你有电子被困,发生的情况则是接通电压,但通道中只有非常有限的电流。所以,当你有这种氧化物陷阱时,开关能力会大大降低。”

Cai的团队通过研究晶体管的频率依赖性(电脉冲通过晶体管的速率)确定了氧化物陷阱是罪魁祸首。在低频下,纳米级InGaAs晶体管的性能似乎退化了。但是在1 GHz或更高的频率下,它们工作得很好,因为氧化物捕获不再是障碍。“当我们以很高的频率操作这些器件时,我们注意到性能确实很好。”她说,“它们与硅技术相比是有竞争力的。”

Cai希望她团队的发现能给研究人员提供新的理由去研究基于InGaAs的计算机晶体管。这项工作表明“要解决的问题其实并不在InGaAs晶体管本身。而是氧化物捕获问题,”她说,“我们相信这是一个可以解决或绕过的问题。” 她补充说,InGaAs在经典和量子计算应用中都显示出了前景。

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