Gate-All-Around (GAA) Transistörlere Giriş
Gate-all-around (GAA) transistörler, yeni bir transistör yapısı türüdür; kapı terminali kanalın tüm taraflarıyla bağlantı kurar. GAA transistörler, silikon nanotel kapının daha da küçülerek FinFET'i çevrelediği çok kapılı alan etkili transistörlerdir (FET). GAA yapısı, kanalın etkili genişliğini artırarak ve transistör sürücü akımını iyileştirerek dikey yığılmaya olanak tanır. Performansı, akım sızıntısını ve güç tüketimini azaltarak artırır.
Şekil 1 (a) planlayıcı MOSFET yapısı ve (b) FinFET transistör yapısı
Tipik FinFET transistörlerinde (Şekil 1'de gösterildiği gibi), kapı sadece dikey Fin üzerinde yer almaktadır. Ancak GAA'de, kapı, Şekil 2'de tarif edildiği gibi, kanal malzemesinin tüm etrafını sarmaktadır. Kapının kanal üzerindeki büyük kaplaması, FinFET'lere göre daha iyi elektrostatik kontrol, geliştirilmiş yoğunluk, kısa kanal etkisinin azaltılması ve daha iyi bir alt eşik sağlar. GAA kanalı, üretim sırasında silikon, germanyum veya III-V yarı iletkenlerini kullanabilir. Ancak, kusursuz bir sarma kapı ve dar kanal oluşturmak zorlu bir görevdir ve aktif araştırma konuları hâline gelmektedir.
GAA Transistörler Nedir?
GAA transistörler, FinFET teknolojisini geliştirmeyi amaçlayan yeni bir çok kapılı FET türüdür. GAA'nın kapısı tüm kanal boyunca sarılmıştır ve bu, elektrostatik kontrolü geliştirmek, kısa kanal etkisini azaltmak ve voltaj eşiğini düşürmek için önemlidir. Teknoloji ayrıca, FinFET'ten daha küçük boyutlara inmeye olanak tanır. Ancak, kanalın üzerinde çok ince bir silikon nanotelinin düzgün sarılması ve daha fazla boyut küçültme, bazı üretim zorluklarıdır.
Şekil 2 GAA transistörünün temel yapısı
GAA'nın Planar FinFET'lerle Karşılaştırılması
GAA transistörlerin FinFET transistörlerle yapı, kanal tipi, boyutlama ve performans açısından karşılaştırması aşağıdaki tabloda sunulmaktadır.
Tablo 1 FinFET ve Kapı genel transistörlerinin karşılaştırılması
Gate-All-Around Mimarisi ve Sonuçları
GAA mimarisi, FinFET teknolojisinin boyut küçültülürdüğü zaman ortaya çıkan sınırlamaları aşmak için tasarlanmıştır. Kapı elektrotu, Moore yasasına uygun olarak transistör boyutunu küçültürken sızıntı akımını kontrol etmek için kanalı çevreler. Kapı, ince kanalın tüm taraflarına temas ederek sızıntıyı kontrol eder ve daha küçük boyutlarda kısa kanal etkisini azaltır. Böylece, GAA mimarisi, çip başına cihaz yoğunluğunu artırmak için aynı alana daha fazla transistör kanalını entegre etmeye olanak tanır.
GAA Transistörlerin Avantajları
GAA'nın her tarafı çevreleyen mimarisi, daha yüksek sürücü akımı sağladığı için diğer düzlemsel transistör türlerine göre birçok avantaj sunar. Ayrıca, kanal üzerindeki geliştirilmiş elektrostatik davranış sayesinde hızlı geçişle açık ve kapalı durumu daha iyi kontrol ederler. Sarım iyi tasarlanmışsa kısa kanal etkisini azaltır ve daha dik bir alt eşik salınımı elde edilir. Bunun yanı sıra, GAA, daha küçük boyutlara yüksek ölçeklenebilirliği ve ihmal edilebilir sızıntı akımı sayesinde gelişen küçük elektronik uygulamalara uyum sağlayabilir.
GAA Transistörlerin Uygulamaları
Bu transistörler, modern elektroniğin temel unsurlarıdır; çünkü diğer transistörlere göre çeşitli avantajlara sahiptirler. Günümüz yarı iletken teknolojilerinde, GAA'nin düşük güç tüketimi ve ölçeklenebilirliği, geleceğin işleme düğümlerinde değerli iki parametredir. CPU ve GPU uygulamalarında hızlı anahtarlama hızları nedeniyle kullanılmaktadırlar. Ayrıca, GAA transistörler, veri merkezi cihazlarında ve ağ ekipmanlarında kullanılabilir. A/D veya D/A dönüştürücülerin ve bellek cihazlarının geliştirilmesinde önemlidirler.
GAA Transistör Yapısı ve İşleyişi
GAA Transistör Yapısı
Kanal, silikon, germanyum veya III-V bir bileşikten yapılmış bir nanotel veya nanosheet ince tel içerir. Nanotel/levha etrafına yüksek dielektrik bir katman yerleştirilir ve titanyum nitrürden yapılmış metal bir kapı, dielektrik malzeme etrafına sarılır. GAA'de, çok kapılı bir FET transistörü olarak, kaynak ve drenç bölgeleri silikon nanosheet/ telin ağır şekilde katkılanmış kısımlarından oluşur. Kapı metaline gerilim uygulandığında kanalın etrafında elektrostatik bir alan oluşur, bu alan GAA transistörünün p-tipi drenç ve n-tipi kaynakları arasında bir iletim kanalı oluşturur. Bu, kapının tüm etrafı sarma sayesinde kanalı kontrol etmesini sağlar.
Şekil 3: Nanotel kanal GAA transistör yapısı (a) 3B görünüm ve (b) Yan görünüm
GAA'de Nanotel ve Nanosheet Karşılaştırması
Aşağıdaki tablo, kanal tipi, üretim, parazit kapasitör etkisi ve diğer teknik detaylar açısından GAA yapısında nanotel veya nanosheet kullanımını karşılaştırmaktadır.
Şekil 4. Nanosheet kanal GAA transistör yapısı (a) 3B görünüm ve (b) yan görünüm
Çalışma Mekanizması
GAA transistörlerin, kaynak ve drenç arasında kanalı bağlayan bir alan etkili transistör türü olduğunu göz önünde bulundurarak, kanalın iletkenliği bir kapı tarafından kontrol edilir. Kanal, genellikle silikon olan yaygın bir yarı iletken malzemeden yapılmıştır. Kanal, yüksek-K dielektrik malzeme ile kanalın elektriksel olarak ayrılmıştır.
Kapıya kaynakla karşılaştırıldığında pozitif voltaj uygulandığında, kanal çoğunluk taşıyıcıları tarafından n-tipi kaynaktan p-tipi drençe iletim indükler. Kapı, uygulanan voltajı değiştirerek kanal için kontrollü bir elektrik alanı oluşturma potansiyeline sahip olduğu için, GAA kanal akışını daha iyi kontrol eder.
Kapı Akım Akışını Nasıl Kontrol Eder?
GAA transistörde, kapı kanal boyunca akım akışını kontrol eder. Kapı ile kanal arasındaki geliştirilmiş temas alanı, elektrostatik kontrolü artıran tüm çevresel yapı sayesinde yüksek elektrostatik kontrol sağlar. Kapı elektroduna harici bir voltaj uygulandığında, çevresindeki kapının uniform bir katmanı bir iletim yolu oluşturur. GAA yapısı, girişim etkilerini azaltır ve kanaldan geçen taşıyıcıyı etkili bir şekilde modüle eder. Ayrıca, kapı elektrostatik kontrolü ile kısa kanal etkisi, daha düşük eşik voltajı ile daha küçük boyutlarda önemli ölçüde azaltılmıştır, böylece transistörün ON akımı artırılır.
Elektrostatik Kontrol ve Cihaz Performansına Etkisi
GAA cihazlarının performansına elektrostatik kontrolün etkisi aşağıda incelenmiştir. İlk etki, cihazların daha dik bir alt eşik salınımı ile drenç elektrik alanının daha iyi filtrelenmesi nedeniyle hızlı bir anahtarlama hızına sahip olmasıdır. Düşük eşik voltajı, elektrostatik nedeniyle ON akım performansını artırmak ve güç tüketimini azaltmak için kanalı kontrol edebilir. Elektrostatik kontrol ayrıca, daha küçük boyutlarda bile sızıntı akımını azaltmaya ve cihaz yoğunluğunu artırmaya yardımcı olur. Ayrıca, tüm kanal yüzeyi boyunca uniform elektrostatik kontrol nedeniyle, bir dizi parametrede GAA transistör cihazlarının değişkenliği azaltılmıştır.
GAA Transistör Üretim Teknikleri
GAA yapısında, nanotel ve nanosheetler ya alt-üst ya da üst-alt yaklaşımıyla üretilir. Alt-üst yaklaşımı, buhar-sıvı-katı büyüme veya şablon destekli büyüme yöntemlerini içerir. İkincisi ise, ıslak kimyasal aşındırma, plazma tabanlı aşındırma, yan duvar görüntü aktarımı, budama ve inceltme yöntemlerini kapsayan üst-alt yaklaşımdır. Seçim teknikleri, istenen boyut ve belirtilen uygulamanın özelliklerine bağlıdır.
GAA üretimindeki diğer kritik adımlar, dielektrik ve metal kapı birikimidir. Yüksek-k dielektrik malzemeler ve metal kapı birikimi, kalınlıklar üzerinde hassas kontrol ve düzgünlük sağlamak için atomik katman biriktirme veya kimyasal buhar biriktirme yöntemlerini takip edebilir, bu da sırasıyla akımı kontrol etmek ve istenen eşik voltajını ayarlamak için gereklidir. Kaynak ve drenç bölgelerine erişmek için hassas aşındırma, kanal dopingi, çok katmanlı yığılma ve dikkatli tavlama, yüksek kaliteli GAA transistör üretimi için bir sonraki üretim süreçleridir.
GAA Üretimindeki Zorluklar
GAA yapısında nanosistem seviyesinde hassasiyet oluşturmak, ilk zorluk olarak karşımıza çıkmaktadır. Litografi araçlarıyla bile, kontrol edilen nano ölçekli nanosheet ve nanotel oluşturmak zorlayıcıdır. Diğer bir zorluk, cihazların performansını büyük ölçüde etkileyen aşındırma ve kanal dopingi sürecinde kusurları kontrol etmektir. Nanotel üzerinde uniform bir dielektrik oluşturmak, yığma ve metal-kapı katmanlarında tutarlılık sağlamak zordur. Kaynak-drenç bileşenlerinin doğru yerleştirilmesi ve temaslar oluşturulması, nanosistem düzeyinde yeni aşındırma teknikleri gerektirir.
GAA İçin Farklı Üretim Tekniklerinin Değerlendirilmesi
GAA transistörler, ya üst-alt ya da alt-üst yaklaşımı ile üretilir. Üst-alt yaklaşımlar, FinFET genişletmesi ve yan duvar görüntü aktarımıdır. FinFET genişletme yöntemi, geleneksel FinFET'lerden başlamaktadır ve mevcut altyapıyı geliştirerek metal kapıyı sararak GAA oluşturmaktadır. Yan duvar görüntü aktarımı teknikleri, bir substratla başlayarak bir nanotel/nanosheet oluşturmak için fedakarlık katmanı biriktirme ve selektif olarak aşındırmayı içerir. Nanotel/nanosheet oluşumunun ardından, yüksek-k dielektrik materyali ve metal kapı biriktirilir.
Alt-üst yaklaşımında, epitaksiyal büyüme ve şablon destekli büyüme iki yaygın tekniktir. Epitaksiyal tekniklerde, nanotel/levha kimyasal buhar biriktirme kullanarak doğrudan substrat üzerinde büyütülür. Şablon destekli büyümede yönlendirilmiş büyüme için gözenekli bir şablon kullanılır. Nanotel/nanosheet'yi aldıktan sonra, büyüme yapısının etrafına kapı dielektrik ve metal kapı biriktirilir.
Malzeme Dikkatleri
GAA yapısı için yarı iletken malzemeler, avantajları ve dezavantajları açısından özet olarak aşağıdaki tabloda incelenmiştir.
Litografi ve Aşındırma Teknikleri
GAA transistörleri için ekstrem UV litografi teknikleri, kısa dalga boyları nedeniyle araştırılmaktadır. Doğrudan baskı için doğrudan kendinden montaj teknikleri, GAA nanolitografi yöntemleri için nano baskı, ve nihai çözünürlük için helyum iyon demeti yazıcı kullanılmaktadır. Öte yandan, aşındırma teknikleri, GAA yapısında kuru aşındırma, ıslak kimyasal aşındırma ve desen aktarımı şeklinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
GAA Transistörlerinin Elektriksel Özellikleri
GAA'nın elektriksel özellikleri, sürücü akımı, eşik voltajı, alt eşik salınımı ve transistörlerin genel V-I ilişkisini içerir. Daha önce belirtildiği gibi, GAA'nın sürücü akımı daha yüksektir çünkü tamamen sarılmış kapı, daha iyi elektrostatik akımı ve daha büyük kanal yüzeyi oluşturur. Bu, daha dik alt eşik salınımları ve daha az parazit kapasitansı nedeniyle onları hızlı anahtarlama uygulamaları yapar. GAA'nın daha düşük ve daha az değişken eşik voltajı vardır.
Şekil 5 GAA transistörünün transfer fonksiyonu
Akım-Gerilim (I-V) Özellikleri
Transfer fonksiyonu eğrisi (IDS-VGS), GAA'nın daha dik bir alt eşik salınımı ve hızlı geçiş gösterdiğini belirtmektedir, düşük eşik voltajı daha yüksek bir açık durum akımına olanak tanır. Çıkış özellikleri (IDS ile VDS karşılaştırıldığında), düşük drenç-kaynak voltajında (VDS) doğrusal ohmik çıkış olduğunu gösterir ve daha yüksek VDS'de daha yüksek bir doyum akımı (IDS) vardır. Daha yüksek seviyelerde artan VDS ile IDS'de daha az değişiklik olur çünkü kapı elektrostatik kalkanlama iyidir.
Şekil 6 Çıkış özellikleri GAA (IDS ve VDS)
Değişken VGS'de, açık/kapalı durumlar arasında net bir ayrım vardır ve bu drenç sapmasından daha az bağımlılık, azaltılmış kısa kanal etkisini doğrular. Açık/kapalı durumları arasındaki dar geçiş genişliği, GAA'nın daha az değişkenlik özelliklerini belirtir.
Eşik Voltajı ve Çeşitli Parametrelere Bağımlılığı
GAA yapısının eşik voltajı, kanalın enine kesit boyutlarından ve kapı malzemesinin değiştirilmesinden etkilenir. Kanalın katkılama konsantrasyonu ve diğer yarı iletken kristalleri ve dielektrik kalkannı da eşik voltajını etkiler. GAA transistör eşik voltajı üzerindeki sıcaklığın etkisi, diğer yarı iletken türlerinde olduğu gibi kaçınılmazdır. Eşik voltajı (Vt) ile etkilenen parametreler arasındaki ilişkiyi özetleyen tablo aşağıdadır.
Şekil 5 GAA transistörünün transfer fonksiyonu
Alt Eşik Salınımı ve Güç Tüketimi Üzerindeki Etkisi
Alt eşik salınımı, transistör açık/kapalı analizi için kritik bir parametre olup, çıkış akımının (IDS) artan kapı voltajı ile nasıl yükseldiğini ölçer. GAA, oda sıcaklığında daha dik bir alt eşik salınımına sahiptir, bu da hızlı geçiş yeteneği anlamına gelir. Bu, dinamik güç tüketimini geçiş sırasında ve GAA transistörleri kapalıyken sızıntı gücünü azaltır. Böylece, daha dik alt eşik salınımı nedeniyle GAA'nin güç tüketimi düşük olup, düşük güç uygulamaları için umut vaat etmektedir.
Kısa Kanal Etkileri ve GAA Transistörlerinde Azaltılması
Bir transistörün kısa kanal etkileri, kanaldaki taşıyıcıları hızlandıran ve kanal bariyerini düşüren drençten gelen güçlü elektrik alanı tarafından üretilir ve sızıntıyı artırır. Ancak, GAA transistörleri, tüm yönlerde elektrostatik kontrolü mükemmel bir şekilde sağlayarak bu etkiyi azaltan tamamen çevrelenen bir kapı sağlar.
GAA'nın Elektriksel Özelliklerle FinFET'lerle Karşılaştırılması
GAA'nın FinFET transistörlerle elektriksel özellikler açısından karşılaştırılması aşağıdaki tabloda sunulmaktadır.
GAA Transistörlerin Performansı ve Avantajları
GAA transistörlerin performansı ve avantajları, sürücü akımını artıran, küçültmeyi iyileştiren ve kapalı durumdayken sızıntıyı en aza indiren fiziksel yapısından gelir çünkü GAA yüksek elektrostatik kontrole sahiptir. İdeal bir geçiş davranışına, değişkenliklere karşı bağışıklığa ve düşük güç tüketimine sahiptirler, bu da GAA'nın temel faydalarıdır.
Daha Yüksek Sürücü Akımı ve Düşük Voltajlarda İyileştirilmiş Performans
Kapı çevresinde sarılı kapı nedeniyle gate-all-around (GAA) transistörler daha yüksek sürücü akımına sahiptir. Kanal ve kapı arasındaki yüzey alanı arttığında sürücü akım da artar. Bu, GAA transistörlerin düşük voltajlarda bile performansını artırır çünkü transistörler, açık durum akımını artırmak için mükemmel bir elektrostatik kontrol geliştirirler. Daha iyi kapı kontrolü, ION ve VGS eğrisinde gösterildiği gibi daha dik bir alt eşik salınımına yol açar. Bu, ION'u küçük boyutlarda bile yüksek tutmak için ihmal edilebilir drenç-indüklenen bariyer düşürme ve diğer kısa kanal etkisi ortamını oluşturur.
Azaltılmış Sızıntı Akımı ve İyileştirilmiş Güç Verimliliği
GAA'nin ihmal edilebilir sızıntı akımı ve kısa kanal etkisine, yönlendirilmiş alt eşik performansına ve hızlı açık/kapalı geçişine sahip olması nedeniyle daha iyi güç verimli cihazlar vardır. Fringing elektrik alanı etkisi, izole edilmiş GAA kanallarında neredeyse yoktur ve bu cihazlar daha düşük drenç sapma voltajında (VDD) daha iyi performansta çalışabilir. Tüm bu nedenler, diğer transistörlerle karşılaştırıldığında aktif ve bekleme güç tüketimini geliştirmiştir.
Gelişmiş Ölçeklenebilirlik ve Daha Fazla Küçültme Potansiyeli
GAA transistörlerinin, kapının neredeyse ideal elektrostatik kontrolü ve ihmal edilebilir kısa kanal etkisi nedeniyle umut verici bir küçültme potansiyeli vardır. GAA transistörleri ayrıca nanotel/nanosheetlerin dikey yığılmasında daha iyi paketleme yoğunluğuna sahiptir. Ayrıca, her boyutta kapı hareketi için daha az istatistiksel dalgalanmalar ve gelişmiş litografi üretim teknikleriyle uyumlu olmaları, onların daha fazla küçültme potansiyeline sahip olduklarını göstermektedir.
GAA Transistörlerin Uygulamaları ve Gelecek Yönelimleri
Şu anda, GAA transistör teknolojileri mobil uygulamalarda, IoT cihazlarında, yüksek performanslı bilgisayarlarda, ağ ekipmanlarında kullanılmaktadır ve bu cihazlar pil ömrünü uzatarak hız ve kazanç sağlar. Gelecekte, GAA'nin uygulamaları küçük güç bütçeli kendi kendine sürüş araçlarına, gömülü makine öğrenimi ekipmanlarına, uç bilişim/IoT cihazlarına ve tıbbi uygulamalara yayılabilir. Ek olarak, AI destekli dronlar, robotlar, aviyonik ve kuantum bilgisayar cihazları GAA transistörleri kullanacaktır.
GAA Transistörlerin İleri Düğüm Teknolojilerini Etkinleştirme Rolü
GAA transistörlerin avantajları, ileri düğüm teknolojilerinde kilit rol oynamaya devam etmektedir. GAA'nin mükemmel elektrostatik kontrol sağlama yeteneği nedeniyle, performans bozulması olmadan ölçeklendirilebilir hale gelmektedir ve azaltılmış kısa kanal etkisine sahiptir. GAA, herhangi bir boyut dalgalanması için performans tutarlılığı sağlar ve litografi hizalaması için biraz esnek olabilir. Yeni tanıtılan teknolojilerle uyumluluğu ve ultra düşük voltajda çalışma yetenekleri GAA'nın gelişmiş teknolojik düğümlerdeki anahtar rolleridir.
GAA Transistörlerle İlgili Zorluklar ve Gelecek Araştırma Yönleri
GAA transistörlerle ilgili zorluklar ve araştırma boşlukları, üretim, malzeme türleri, cihaz tasarımı ve entegrasyon ile ilgilidir. Üretim sürecinde, 5 nm altı desen hassasiyeti bir zorluktur ve çeşitli litografik teknikler incelenmektedir. Nanotel kanal üzerinde düzgün dielektrik oluşturmak, hatasız nanotel aşındırmak ve değişkenliği azaltmak, üretimdeki zorluklardır. Malzeme mühendisliğinde, araştırmacılar yüksek mobiliteli kanal malzemelerini, ölçeklenmiş boyutlarla performansı artırmak için yoğun bir şekilde incelemektedirler. Tasarım mühendisleri, hedef uygulamalar için daha iyi nanotel/levha boyutlarını, mesafelerini ve bileşenlerini sürekli olarak optimize etmektedirler. Aynı devrede nanotel/levha karışımını içeren devre entegrasyonu, GAA için zordur ve monolitik 3D teknikler sayesinde dikey bağlantının yapılması gerekmektedir.
Diğer Transistör Mimarileri ile Karşılaştırma
GAA transistörlerin diğer transistör mimarileri ile karşılaştırılması özet olarak aşağıdaki tabloda sunulmaktadır. İki yeni teknoloji olan nanotel FET ve tünel FET tarafından çok düşük güç kullanımı vaat edilmektedir. Bununla birlikte, hala yüksek zorluklar içeren tutarlılık ve uniformluk sorunları bulunmaktadır.
**Bu yazı ilk olarak anysilicon websitesinde görülmüştür.
