Введение
Химическое соединение SiGe ('/s//ɪ//ɡ//iː/ или '/s//aɪ//dʒ//iː/), или кремний-германий, является сплавом с любым молярным соотношением кремния и германия, то есть с молекулярной формулой вида Si1−xGex. Он широко используется в качестве полупроводникового материала в интегральных схемах (ИС) для гетеропереходных биполярных транзисторов или как слой, создающий напряжение, для CMOS-транзисторов. Компания IBM внедрила эту технологию в серийное производство в 1989 году. Эта относительно новая технология открывает возможности в проектировании и производстве интегральных схем с комбинированной и аналоговой обработкой сигналов. SiGe также применяется в качестве термоэлектрического материала для высокотемпературных приложений (>700 К).
SiGe ('/s//ɪ//ɡ//iː/ or '/s//aɪ//dʒ//iː/), or silicon–germanium, is an alloy with any molar ratio of silicon and germanium, i. e. with a molecular formula of the form Si1−xGex. It is commonly used as a semiconductor material in integrated circuits (ICs) for heterojunction bipolar transistors or as a strain inducing layer for CMOS transistors. IBM introduced the technology into mainstream manufacturing in 1989. This relatively new technology offers opportunities in mixed signal circuit and analog circuit IC design and manufacture. SiGe is also used as a thermoelectric material for high temperature applications (>700 K).
Производство
Использование кремния-германия в качестве полупроводника было инициировано Берни Мейерсоном. Препятствием, которое десятилетиями задерживало его реализацию, являлось то, что атомы германия примерно на 4% больше атомов кремния. При обычных высоких температурах, используемых при производстве кремниевых транзисторов, напряжения, возникающие при внедрении этих более крупных атомов в кристаллическую решетку кремния, приводили к образованию огромного количества дефектов, делая полученный материал непригодным для использования. Мейерсон и его коллеги обнаружили, что ранее считавшееся необходимым высокотемпературное воздействие было ошибочным, что позволило выращивать SiGe при достаточно низких температурах, при которых образование дефектов было практически исключено. Устранив это основное препятствие, было показано, что полученные материалы SiGe могут быть использованы для производства высокопроизводительной электроники с использованием стандартного и недорогого оборудования для обработки кремния. Более того, характеристики полученных транзисторов значительно превосходили предполагаемый предел возможностей традиционных кремниевых устройств, что позволило создать новое поколение недорогих коммерческих беспроводных технологий, таких как WiFi. Технологии SiGe обеспечивают стоимость, сопоставимую со стоимостью производства кремниевых CMOS-схем, и более низкую, чем у других гетероструктурных технологий, таких как арсенид галлия. В последнее время в качестве менее опасных жидких альтернатив герману для MOVPE-осаждения пленок, содержащих Ge (например, высокочистого Ge, SiGe и кремния с напряжением), изучаются органогерманиевые прекурсоры (например, изобутилгерман, трихлориды алкилгермания и трихлорид диметиламиногермания). Услуги по производству SiGe предоставляются несколькими компаниями, специализирующимися на полупроводниковых технологиях. AMD сообщила о совместной разработке с IBM технологии кремния с напряжением SiGe, предназначенной для 65-нм техпроцесса. TSMC также продает производственные мощности для SiGe. В июле 2015 года IBM объявила о создании рабочих образцов транзисторов, изготовленных по 7-нм техпроцессу с использованием кремния-германия, что, по их утверждению, позволит увеличить количество транзисторов в четыре раза по сравнению с современными техпроцессами.
Транзисторы SiGe
SiGe позволяет интегрировать CMOS-логику с биполярными транзисторами с гетеропереходами, что делает его пригодным для интегральных схем со смешанными сигналами. Биполярные транзисторы с гетеропереходами имеют более высокий прямой коэффициент усиления и более низкий обратный коэффициент усиления, чем традиционные биполярные транзисторы с гомопереходами. Это обеспечивает улучшенные характеристики при низких токах и высоких частотах. Являясь гетеропереходной технологией с регулируемой шириной запрещенной зоны, SiGe предоставляет возможность более гибкой настройки ширины запрещенной зоны по сравнению с технологией на основе только кремния. Кремний-германий на изоляторе (SGOI) – это технология, аналогичная технологии кремния на изоляторе (SOI), используемой в современных компьютерных чипах. SGOI повышает скорость транзисторов в микросхемах за счет создания напряжения в кристаллической решетке под затвором МОП-транзистора, что приводит к увеличению подвижности электронов и повышению тока управления. SiGe MOSFET также могут обеспечивать меньшую утечку p-n переходов благодаря более низкой ширине запрещенной зоны SiGe. Однако серьезной проблемой для SGOI MOSFET является невозможность формирования стабильных оксидов с кремний-германием с использованием стандартных процессов окисления кремния.
Термоэлектрическое применение
Кремниево-германиевое термоэлектрическое устройство MHW RTG3 использовалось в космических аппаратах Voyager 1 и 2. Кремниево-германиевые термоэлектрические устройства также использовались в других MHW РТГ и GPHS РТГ на борту космических аппаратов Cassini, Galileo и Ulysses.
Светлое излучение
Контролируя состав гексагонального сплава SiGe, исследователи из Технологического университета Эйндховена разработали материал, способный излучать свет. В сочетании с его электронными свойствами это открывает возможность создания лазера, интегрированного в один чип, для передачи данных светом вместо электрического тока, что позволяет ускорить передачу данных, снизить энергопотребление и уменьшить потребность в системах охлаждения. Международная команда, ведущими авторами которой являются Эльхам Фадали, Ален Дайкстра и Эрик Баккерс из Технологического университета Эйндховена в Нидерландах и Йенс Рене Заккерт из Университета Фридриха Шиллера в Йене (Германия), была удостоена награды "Прорыв года" журнала Physics World за 2020 год.