Neuer GAA-Transistor verbessert die Mobilität mit InGaOx-Film

Transistoren gelten als eine Technologie, die ihrer Zeit weit voraus ist. Erfunden 1947, brachte der technologische Durchbruch den Nobelpreis für Physik für Walter Brattain, John Bardeen und William Shockley. Seit seiner Erfindung haben Transistoren maßgeblich dazu beigetragen, zahlreiche radikale Veränderungen in den um uns herumliegenden Technologien zu bewirken.

Zwischen 2008 und 2019 stiegen die Verkäufe von Leistungstransistoren von 10 Milliarden US‑Dollar auf 18,6 Milliarden US‑Dollar. Das stetige Wachstum spiegelt die unerschütterliche Nachfrage nach Transistoren wider und weist auf das Potenzial der Technologie sowie ihre inhärente Stärke als Lösung hin. 

Im Wesentlichen ist ein Transistor ein Halbleiterbauelement, das elektronische Signale verstärkt oder schaltet. Sie können bipolar sein, auch bekannt als Bipolar Junction Transistoren oder BJTs, Feld‑Effekt‑Transistoren (FETs) und isoliert‑gate‑bipolare Transistoren oder IGBTs. 

Der erste Typ, der bipolare Transistor, verwendet sowohl Elektronen als auch Löcher als Ladungsträger. Der Feld‑Effekt‑Transistor ist ein unipolares Bauelement, das ohne pn‑Übergang im Hauptstrompfad konstruiert ist, während ein IGBT aus einem spannungsgetriebenen MOSFET besteht, dem ein Hochstrom‑Transistor folgt. 

Während die oben genannten einige der festen Kategorien oder traditionellen Segmente darstellen, erweitert sich das Potenzial des Transistors mit der Zeit stetig. Marktberichte deuten darauf hin, dass der Markt für nächste‑Generation‑Transistoren bereit ist, zu florieren. Nach Typ können diese Transistoren Heterojunction‑Bipolar‑Transistoren (HBT), High‑Electron‑Mobility‑Transistoren (HEMT), Metall‑Oxid‑Halbleiter‑Feldeffekt‑Transistoren (MOSFET) und weitere umfassen. 

Diese Transistoren nutzen eine vielfältige Kombination von Materialien wie Galliumnitrid (GaN), Indiumarsenid (InAs), Indiumphosphid (InP), Galliumnarsenid (GaAs) usw. Sie finden Anwendung in Mobiltelefonen, Mikrowellensystemen, Satelliten und der Luft‑ und Raumfahrt. 

Heute konzentrieren wir uns auf diese Transistoren der nächsten Generation. Wir beginnen mit Forschung, die darauf abzielt, das größere Problem zu lösen.

Silizium‑Transistoren skalieren mit InGaOx GAA‑Strukturen

Da die Elektronik täglich kleiner wird, besteht ein dringender Bedarf, Silizium‑basierte Transistoren zu verkleinern. Ein Forscherteam unter der Leitung des Institute of Industrial Science der Universität Tokio nahm die Herausforderung direkt an. Berichten zufolge wird das Team ein Papier auf dem VLSI‑Symposium 2025 veröffentlichen, in dem ihr Durchbruch detailliert wird. Das Team konnte auf Silizium verzichten und entschied sich, einen Transistor aus galliumdotiertem Indiumoxid (InGaOx) zu erstellen, einem Material, das als kristallines Oxid strukturiert werden kann, dessen geordnete Kristallgitterstruktur sich gut für die Elektronenmobilität eignet. 

Laut Alan Chen, dem Hauptautor der Studie, wollte das Team, dass ihr „kristallines Oxid‑Transistor eine ‚gate‑all‑around‘‑Struktur aufweist, bei der das Gate, das den Strom ein‑ oder ausschaltet, den Kanal, durch den der Strom fließt, umschließt.“ Das Team konnte demnach das Gate „vollständig um den Kanal wickeln“ und die „Effizienz und Skalierbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Gates“ verbessern.

„Indiumoxid enthält Sauerstoff‑Vakanzen‑Defekte, die die Ladungsträgerstreuung begünstigen und somit die Gerätestabilität verringern.“

Die Forscher dotierten das Indiumoxid mit Gallium, um Sauerstoff‑Vakanzen zu unterdrücken und damit die Zuverlässigkeit des Transistors zu verbessern.

Das Team erzielte einen bedeutenden wissenschaftlichen und technologischen Durchbruch, indem es die atomare Schichtabscheidung nutzte, um die Kanalregion eines gate‑all‑around‑Transistors Schicht für Schicht mit einem dünnen Film aus InGaOx zu beschichten. Anschließend erhitzte das Team den Film, um ihn in die dringend benötigte kristalline Struktur zu überführen, die die Elektronenmobilität fördert. 

Gate‑All‑Around (GAA) MOSFET: Design & Vorteile

Wenn man das wichtigste Ergebnis dieser Forschung herausstellen muss, ist es die Ermöglichung der Fertigung eines gate‑all‑around‑„metalloxid‑basierten Feldeffekt‑Transistors“ (MOSFET). 

Denn das gate‑all‑around‑MOSFET konnte eine Mobilität von bis zu 44,5 cm²/Vs erreichen. Das Team behauptete, dass sein Bauteil eine „vielversprechende Zuverlässigkeit“ zeige, indem es unter angelegter Belastung fast drei Stunden stabil arbeitet. Das Team erklärte weiter, dass sein MOSFET frühere, ähnliche Geräte übertroffen habe. 

Während wir gleich noch tiefer in gate‑all‑around‑Transistoren eintauchen, ist es wichtig, die Auswirkungen dieser Forschung und deren Einfluss auf weitere wissenschaftliche Arbeiten in diesem Bereich zusammenzufassen. Frühe Berichte deuten darauf hin, dass die Forschung neue Wege für die Entwicklung von Transistordesigns eröffnen könnte, die sowohl Material‑ als auch Strukturaspekte berücksichtigen. Die Forschung würde helfen, vertrauenswürdige, hochdichte elektrische Bauteile zu entwickeln, die den Bedarf an rechenintensiven Lösungen, wie sie in Big‑Data‑ und KI‑Anwendungen verwendet werden, erfüllen.

Wir leben praktisch im Zeitalter von KI und Big Data. Zweifellos wird die Forschung neue Wege für den Aufbau effektiverer Lösungen ebnen. Allerdings könnte das von gate‑all‑around‑Transistoren abgedeckte Gebiet weitaus größer sein, als es derzeit erscheint.

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Was macht GAA‑Transistoren überlegen?

GAA‑ oder gate‑all‑around‑Transistoren verfügen über eine fortschrittliche Transistorstruktur, bei der das Gate den Kanal an allen Seiten berühren kann. Mit anderen Worten ermöglichen diese Transistoren eine kontinuierliche Skalierung. 

Was seine technologische Genialität hervorhebt, ist der Stapel horizontaler Schichten, die die Kontrolle des Transistorkanals verbessern. Diese Schichten sind gestapelte Nanosheets. Da die einzelnen horizontalen Schichten vertikal gestapelt sind, kann das Gate den Kanal an allen vier Seiten umschließen, wodurch Leckagen reduziert und der Antriebstrom erhöht wird. Das Ergebnis ist ein verbessertes Signalübertragen durch und zwischen den Transistoren. Ein solches überlegenes Signalübertragen verbessert die Chip‑Performance und gibt Chip‑Herstellern die Flexibilität, mit der Breite der Nanosheets zu experimentieren, um das bestmögliche Sheet für ein bestimmtes Chip‑Design anzubieten.

Nanosheets sind in vielerlei Hinsicht effizient. Breite Nanosheets ermöglichen einen höheren und besseren Antriebstrom, während schmale Nanosheets den Energieverbrauch optimieren können. Diese Vielseitigkeit macht GAA‑Transistoren bereit, in naher Zukunft die anspruchsvollsten ihrer Konkurrenz zu werden.

Zudem sind diese Transistoren kosteneffizient. Sie können zu erschwinglichen Preisen hergestellt werden, was dazu beiträgt, die Massenproduktion fortschrittlicher Chips erschwinglich zu halten. Letztlich wird dies die Leistung aller elektronischen Geräte um uns herum verbessern, einschließlich 5G‑Konnektivität, Gaming, Grafik, KI‑Lösungen, Medizintechnik, Automobiltechnologie und mehr. 

Investieren in GAA‑Transistoren

Obwohl GAA in letzter Zeit erheblich fortgeschritten ist, besteht das Interesse daran bereits seit geraumer Zeit in der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Aufzeichnungen deuten darauf hin, dass die erste GAA‑Technologie 1986 demonstriert wurde. Erst 2022 stellte Samsung jedoch zum ersten Mal einen GAA‑fähigen Chip im 3‑nm‑Prozessknoten her. Samsung nannte seine GAA‑Variante Multi‑Bridge‑Channel‑FET (MOSFET), die Nanosheets mit breiteren Kanälen nutzte und dadurch höhere Leistung und größere Energieeffizienz im Vergleich zu GAA‑Technologien ermöglichte, die Nanodrähte mit schmaleren Kanälen verwendeten.

Seitdem haben viele Unternehmen daran gearbeitet. Allerdings erscheint Intel (INTC ) besonders jetzt als solide Option, da es eines der wenigen ist, das GAA‑Transistortechnologie tatsächlich in die reale Produktion überführt. Ihr 18A‑Prozess, der RibbonFET und PowerVia verwendet, zeigt bereits echte Leistungs‑ und Effizienzgewinne und wird von einer breiten Gruppe von Partnern aus Design und Fertigung unterstützt.

Was es noch interessanter macht, ist, dass Intel nicht nur Chips entwirft, sondern sie auch in den Vereinigten Staaten herstellt. So verfügt Intel über Schwung, Größe und einen klaren Fahrplan. Mit dem schnellen Wachstum von KI und Hochleistungs‑Computing wirkt ihre Position weitaus dominanter als die mehrerer anderer Unternehmen in diesem Bereich.

Intel (INTC )

RibbonFET war Intels erster Gate‑All‑Around (GAA)‑Transistor, der bis zu 15 % bessere Leistung pro Watt im Vergleich zu FinFET, seinem technologischen Vorgänger, bietet. 2021 stellte Intel die Intel 18A‑Technologie vor, seine RibbonFET‑gate‑all‑around‑(GAA)‑Transistortechnologie. 

Neben 15 % besserer Leistung pro Watt versprach die Lösung eine 30 %ige Verbesserung der Chip‑Dichte im Vergleich zum Intel‑3‑Prozessknoten. Intel behauptete, dass es der früheste verfügbare Sub‑2‑nm‑Advanced‑Node sei, der in Nordamerika hergestellt wird, und damit eine robuste Lieferalternative für Kunden bietet.

Die Lösung beinhaltete die branchenerste PowerVia‑Backside‑Power‑Delivery‑Technologie als Rückgrat. Sie half, die Dichte und Zellenutzung um 5 bis 10 % zu verbessern und den resistiven Power‑Delivery‑Durchhang zu reduzieren, was zu einer bis zu 4 %igen ISO‑Power‑Leistungsverbesserung führte. Außerdem reduzierte sie den inhärenten Widerstands‑(IR‑)Durchhang im Vergleich zu Front‑Side‑Power‑Designs erheblich.

Wie bereits erläutert, ermöglichte die Implementierung der GAA‑Transistortechnologie Intel eine präzise Steuerung des elektrischen Stroms, was eine weitere Miniaturisierung von Chip‑Komponenten erlaubte und gleichzeitig den Leistungs‑Leakage, ein kritisches Problem bei zunehmend dichten Chips, reduzierte.

Die Omni‑MIM‑Kondensatoren halfen, den induktiven Power‑Durchhang zu reduzieren und verbesserten damit den stabilen Chip‑Betrieb. Intel glaubte, dass diese Verbesserung für moderne Workloads wie generative KI, die plötzliche und intensive Rechenleistung erfordern, entscheidend sein könnte.

Intels GAA‑Transistortechnologie wurde vollständig von branchenüblichen EDA‑Tools und Referenz‑Flows unterstützt, wodurch ein nahtloses Upgrade von anderen Technologieknoten ermöglicht wurde. Intel behauptet, dass seine Kunden bereits vor anderen Backside‑Power‑Lösungen mit PowerVia mit dem Design beginnen können.

Das gesamte Ökosystem trug dazu bei, die Technologie an die Spitze zu bringen, da die Entwicklung eine robuste Zusammenstellung von mehr als 35 branchenführenden Ökosystem‑Partnern umfasste, die sich über EDA, IP, Design‑Services, Cloud‑Services sowie Luft‑ und Raumfahrt‑ und Verteidigungsbereiche erstrecken. 

Intel entwickelt sich mit der 18A‑Familie von Lösungen weiter.

Intel verfügt über 18A‑P und 18A‑PT. Das 18A‑PT ist eine bedeutende Ergänzung, da es für KI‑ und HPC‑Kunden entwickelt wurde, die nächste‑Generation‑3DIC‑Designs erstellen. Die Lösung bietet einen aktualisierten Back‑End‑Metall‑Stack, Pass‑Through‑TSVs, Die‑to‑Die‑TSVs und ein fortschrittliches Hybrid‑Bonding‑Interface (HBI) mit branchenführendem Pitch. 

Intel behauptet, dass die Lösung für eine deutlich verbesserte Skalierbarkeit und Integration bei fortgeschrittenen Workloads geeignet ist und Kunden befähigt, die Grenzen von KI und Hochleistungs‑Computing zu verschieben. 

Neben 18A‑PT verfügt Intel auch über 18A‑P. Diese relativ ältere Variante baut auf der zweiten Implementierung von Intels RibbonFET‑ und PowerVia‑Technologien auf, um Leistung der nächsten Generation und verbesserte Energieeffizienz zu liefern. 

Die Lösung bietet neue, niedrigschwellige und leckage‑optimierte Bauelemente sowie neue feinkörnige Ribbon‑Breiten, um signifikante Leistungs‑pro‑Watt‑Gewinne und verbesserte Transistor‑Leistung zu erzielen. 

Die realen Anwendungsfälle von Intels GAA‑Transistortechnologie

Für Hochleistungs‑Computing‑ und KI‑Anwendungen bieten Intels Lösungen eine überlegene Kanalsteuerung, die eine verbesserte Transistor‑Leistung pro Watt mit hohem Antriebstrom und Skalierbarkeit ermöglicht.

Die Flächenreduktion von RibbonFET ermöglicht mehr Funktionalität in kleineren Chips, was für kompakte medizinische und industrielle Sensoren vorteilhaft ist.

Sie hilft beim Aufbau anspruchsvoller mobiler und Breitband‑Prozessoren, indem sie die Bedürfnisse mobiler Anwendungen adressiert. Ihre fortschrittlichen Fertigungstechniken sorgen für konsistente, zuverlässige Leistung, während fein abgestimmte Schwellenspannungen eine außergewöhnliche Energieeffizienz liefern, was zu einer insgesamt verbesserten Akkulaufzeit für mobile Geräte führt. 

Die Lösung erweist sich zudem als effektiv für Luft‑ und Raumfahrt‑ sowie Verteidigungsanforderungen, die erhöhte Rechenleistung verlangen und strenge Vorgaben zu Größe, Gewicht, Leistung und Kosten (SWaP‑C) haben. 

Intels 18A‑Lösungen besitzen einen niedrigen IR‑Durchhang, der die für strombegrenzte Anwendungen erforderliche Effizienz liefert, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. 

Mit all diesen Verbesserungen und Merkmalen, die in seiner Lösung gebündelt sind, ist Intels GAA‑Technologie nichts weniger als transformativ. Ihre Leistung entspricht dem, was typischerweise von Intel, einem Kraftpaket technologischer Innovation, erwartet wird. 

Im Januar 2025 meldete Intel einen Umsatz im vierten Quartal von 14,3 Milliarden US‑Dollar, ein Rückgang von 7 % gegenüber dem Vorjahr, während der Jahresumsatz bei 53,1 Milliarden US‑Dollar lag, ein Rückgang von 2 % YoY.

Während erwartet wird, dass Intel seine GAA‑Innovation fortsetzt und neue Meilensteine erreicht, ist die gesamte Forschung zu GAA‑Transistoren in vollem Gange. 

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Die zukünftigen Möglichkeiten mit GAA 

Ein weiterer Branchenführer in diesem Bereich, Samsung, glaubte, dass GAA‑Transistoren bald ihren Weg in nächste‑Generation‑Halbleiteranwendungen finden würden, die hohe Leistung und niedrigen Energieverbrauch erfordern, von KI über Big‑Data bis hin zu autonomem Fahren und dem Internet der Dinge.

Ein im Jahr 2024 veröffentlichtes Forschungspapier¹, untersucht Gate‑All‑Around‑Feldeffekt‑Transistoren (GAA‑FETs) als praktikable Lösungen für moderne Low‑Power‑ und High‑Performance‑Elektronik‑Anwendungen. Die Forscher führten umfangreiche experimentelle Analysen durch, die Fertigung, elektrische Charakterisierung und Simulationsmodellierung umfassten, um die intrinsischen elektrischen Eigenschaften und Leistungskennzahlen von GAA‑FETs zu untersuchen.

Sie untersuchten rigoros mehrere Schlüsselparameter wie Schwellenspannung, Leckstrom, Subthreshold‑Swing und Transkonduktanz, um die Betriebseffizienz des Transistors für Low‑Power‑Anwendungen zu bewerten. Darüber hinaus entwickelten und validierten sie fortschrittliche Simulationsmodelle, um das Verhalten von GAA‑FETs genau vorherzusagen und zukünftige Designverbesserungen für Hochleistungs‑Computing zu ermöglichen. Beim Ziehen von Schlussfolgerungen hob die Forschung die vorteilhaften Merkmale von GAA‑FETs hervor und positionierte sie als vielversprechende Kandidaten, um sowohl die Anforderungen an niedrigen Energieverbrauch als auch an Hochleistungs‑Computing zu erfüllen.

Eine weitere wichtige Forschung, veröffentlicht im Jahr 2022, untersuchte die Prozessmöglichkeiten von GAA‑Nanosheet‑FETs. Die Forscher behaupteten, dass viele im Feld bereits darüber nachdenken, was jenseits von Nanosheet‑FETs liegt. Sie behaupteten, dass die Hauptkandidaten zur Fortsetzung des Moore’s‑Law‑Skalierens die Vertical‑Transport‑FETs (VTFETs) und gestapelten Transistoren seien.

Die Forscher untersuchten zudem Verarbeitungsherausforderungen, die der Gate‑All‑Around‑Nanosheet‑Transistor‑Technologie im Wege stehen. Sie kategorisierten die Herausforderungen in vier breite Kategorien:

• Selbstheizung
• Mechanische Stabilität während der Fertigung
• Gerätevariabilität
• Si–SiGe‑Vermischung

Die Forscher hoben hervor, dass obwohl neuartige Substrate, wie Diamant auf Silizium, verbesserte Selbstheizungseffekte bieten könnten, ein solches Verfahren in der Massenfertigung weniger wahrscheinlich übernommen wird. 

Sie räumten ein, dass Nanosheets Design‑Flexibilität ermöglichen und das Seitenverhältnis der Sheets sowie die mechanische Integrität des inneren Spacers eine entscheidende Rolle für die Gesamtsstabilität dieser Sheets spielen. Sie betonten die Notwendigkeit, die Gerätevariabilität zu optimieren, die aus verschiedenen Quellen resultieren kann, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Linienrandrauheit, Gate‑Randrauheit, nicht‑einheitliche Metall‑Work‑Function‑Abscheidung und zufällige Dotierfluktuationen. 

Sie sprachen speziell darüber, wie der Si‑SiGe‑Stack für Nanosheets selbst anfällig für thermische Vermischung ist, wenn er zahlreichen thermischen Zyklen vor dem Kanal‑Freigabeschritt ausgesetzt wird. Sie bestätigten jedoch, dass dieser Effekt tolerierbar ist, solange die SiGe‑Kanäle selektiv zu Si‑Channel‑Sheets geätzt werden können und Si‑Sheets nicht durch Si‑SiGe‑Vermischung übergeätzt werden.

Während all diese Herausforderungen bestehen, muss man zu den Grundlagen zurückkehren, um zu verstehen, warum GAA‑Transistoren in der Entwicklung der Transistortechnologie bahnbrechend sind. GAA war seinem Vorgänger, den FinFETs, überlegen, weil es viele Probleme im Zusammenhang mit dem Leckstrom löste, da seine Kanäle horizontal waren. Und zweitens, da GAA‑Transistoren von Gates auf allen vier Seiten umgeben sind, verbesserten sie die Struktur eines Transistors. Die verbesserte Struktur konnte den Strom präziser steuern als der FinFET‑Prozess.

Abgesehen von Unternehmen wie Intel und Samsung begann TSMC, ein führender Akteur in diesem Bereich, ebenfalls GAA‑Transistoren in der ersten Generation seiner N2‑Prozesstechnologie einzusetzen. Der FinFET‑Halbleiterprozess, obwohl er mehrere Jahre ein Fertigungsstandard blieb, erlebte mit dem Aufkommen der GAA‑Technologie bedeutende Verbesserungen.

Experten sehen die GAA‑Prozesstechnologie ebenfalls als einen bedeutenden Meilenstein in der Silizium‑Lithografie. Sie erwarten, dass GAA den Stab übernimmt und die Halbleiterindustrie auf das nächste Level der Silizium‑Skalierung hebt, wo die FinFET‑Prozesstechnologie stehen geblieben ist.  

Forscher sind ebenfalls optimistisch hinsichtlich der Fortschritte bei negativen Kapazitäts‑GAA‑Feldeffekt‑Transistoren. Sie hoben hervor, dass GAA‑FETs überlegene Gate‑Steuerung und höhere SCE‑Unterdrückungsfähigkeit im Vergleich zu FinFET, dank seiner umgebenden Gate‑Struktur, es ermöglichen würde, den Halbleitermarkt für 3‑nm‑Technologieknoten und darüber hinaus zu dominieren. Sie warnten jedoch, dass trotz der Demonstration der Überlegenheit von GAA‑FET als potenzielle Option zur Reduzierung von SCE der Anstieg des Energieverbrauchs nicht ignoriert werden könne.

Eine weitere Forschung veranlasste die wissenschaftliche Gemeinschaft, über die Transistor‑Ebene hinauszublicken und die Bedeutung von Innovationen in den Bereichen Verbindungen und Stromversorgung für die Vollständigkeit zu erkennen. Sie erwähnten einen Vorschlag im Bereich der Stromversorgung, bekannt als buried power rail (BPR), der vorschlägt, die Stromschienen unterhalb der Transistordevice zu platzieren, wodurch auf der Vorderseite Fläche für Routing‑Flexibilität geschaffen und die Leitungsdichte reduziert wird. Allerdings bringt dies mehrere technische Herausforderungen mit sich, darunter Back‑Side‑Patterning, die Ausrichtung der Strukturen auf der Vorderseite mit denen auf der Rückseite und das Ausdünnen des Wafers auf der Rückseite.

Zusammenfassend müssen Transistoren, wie jedes andere Innovationsfeld, den beständigen Prozess von Versuch und Irrtum durchlaufen, um im Laufe der Zeit besser zu werden. Für den Moment zeigt GAA jedoch vielversprechende Ergebnisse und könnte in naher Zukunft die Vorherrschaft übernehmen.

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Studien zitiert:

^{1. Reddy Hemantha, G., Priya, A. S., Suman, J. V., Rao, T. V. J., Priyadarshini, G. M. A., & Mallam, M. (2024, May). Characterization and modeling of Gate-All-Around FET (GAA FET) for low-power and high-performance applications. In 2024 International Conference on Advances in Modern Age Technologies for Health and Engineering Science (AMATHE). IEEE. https://doi.org/10.1109/AMATHE61652.2024.10582059arge in solid electrolytes. ACS Energy Letters, 10(3), 1255–1257. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03398}