Un nuevo transistor GAA mejora la movilidad con una película de InGaOx

Los transistores se consideran una tecnología muy adelantada a su tiempo. Inventado en 1947Este avance tecnológico valió el Premio Nobel de Física a Walter Brattain, John Bardeen y William Shockley. Desde su invención, los transistores han contribuido a introducir cambios radicales en las tecnologías que nos rodean.

Entre 2008 y 2019, la venta de transistores de potencia pasó de 10.000 millones de dólares a 18.600 millones. El crecimiento constante refleja una demanda inquebrantable de transistores, lo que indica el potencial de la tecnología y su fuerza inherente como solución. 

Básicamente, un transistor es un dispositivo semiconductor que amplifica o conmuta señales electrónicas. Pueden ser bipolares, también conocidos como transistores de unión bipolar o BJT, transistores de efecto de campo (FET) y transistores bipolares de puerta aislada o IGBT. 

El primer tipo, el transistor bipolar, utiliza tanto electrones como huecos como portadores de carga. El transistor de efecto de campo es un dispositivo unipolar construido sin unión pn en la ruta principal de transporte de corriente, mientras que el IGBT consiste en un MOSFET accionado por tensión seguido de un transistor de alta corriente. 

Aunque las anteriores son algunas de las categorías fijas o segmentos tradicionales, el potencial del transistor sigue ampliándose con el tiempo. Los informes de mercado sugieren que el mercado de transistores de nueva generación está listo para prosperar. Por tipos, estos transistores podrían incluir transistores bipolares de heterounión (HBT), transistores de alta movilidad de electrones (HEMT), transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET), etc. 

Estos transistores aprovechan una combinación diversa de materiales como el nitruro de galio (GaN), el arseniuro de indio (InAs), el fosfuro de indio (InP), el arseniuro de galio (GaAs), etc. Tienen diversas aplicaciones, como teléfonos móviles, sistemas de microondas, satélites y la industria aeroespacial. 

Hoy nos centraremos en estos transistores de nueva generación. Comenzamos con la investigación que pretende resolver el problema más amplio.

Escalado de transistores de silicio con estructuras InGaOx GAA

La electrónica es cada vez más pequeña, por lo que urge reducir el tamaño de los transistores de silicio. Un equipo de investigadores del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio se enfrentó a este reto. Según se informa, el equipo publicará un artículo en el 2025 Symposium on VLSI en el que se detallan sus avances. El equipo podría acabar con Silicio y optaron por crear un transistor a partir de óxido de indio dopado con galio (InGaOx), un material que podría estructurarse como un óxido cristalino, cuya red cristalina ordenada es muy adecuada para la movilidad de los electrones. 

Según Alan Chen, autor principal del estudio, el equipo quería que su "transistor de óxido cristalino presentara una estructura de 'puerta alrededor', en la que la puerta, que enciende o apaga la corriente, rodea el canal por donde fluye la corriente". El equipo, según Chen, podría envolver "la puerta por completo alrededor del canal" y mejorar "la eficiencia y la escalabilidad en comparación con las puertas tradicionales".

Al explicar las especialidades del óxido de indio, el compuesto que desempeñó un papel decisivo en todo ello, Masaharu Kobayashi, autor principal de la investigación, dijo lo siguiente,

"El óxido de indio contiene defectos de vacantes de oxígeno, que facilitan la dispersión de portadores y, por tanto, disminuyen la estabilidad del dispositivo".

Los investigadores doparon óxido de indio con galio para suprimir las vacantes de oxígeno y mejorar así la fiabilidad del transistor.

El equipo ha logrado un importante avance científico y tecnológico al aprovechar la deposición de capas atómicas para recubrir la región del canal de un transistor de compuerta única con una fina película de InGaOx, una capa atómica cada vez. Posteriormente, el equipo calentó la película para transformarla en una estructura cristalina muy necesaria que facilita la movilidad de los electrones. 

 MOSFET Gate-All-Around (GAA): Diseño y ventajas

Si hay que destacar el logro más importante de esta investigación, es la fabricación de un "transistor de efecto de campo basado en óxido metálico" (MOSFET). 

Esto se debe a que el MOSFET de puerta perimetral puede alcanzar una movilidad de 44,5 cm2/Vs. El equipo afirmó que su dispositivo podía demostrar "una fiabilidad prometedora al funcionar de forma estable bajo tensión aplicada durante casi tres horas". El equipo añadió que su MOSFET superaba a otros dispositivos similares de los que se había informado anteriormente. 

Aunque dentro de un rato profundizaremos en los transistores de puerta perimetral, es fundamental resumir las implicaciones de esta investigación y su repercusión en la investigación científica en este campo. Los primeros informes sugieren que la investigación podría abrir nuevas vías para crear diseños de transistores que tengan en cuenta la importancia tanto de los materiales como de la estructura. La investigación ayudaría a desarrollar componentes eléctricos fiables y de alta densidad que satisfagan la necesidad de soluciones de computación intensiva, como las utilizadas en big data e IA. 

Vivimos prácticamente en la era de la IA y los macrodatos. Sin duda, la investigación allanaría nuevos caminos para construir soluciones más eficaces. Sin embargo, el terreno cubierto por los transistores de compuerta envolvente podría ser mucho mayor de lo que presenta ahora.

Pulse aquí para saber cómo las fundiciones están ayudando a madurar la industria de los transistores de película fina.

¿Qué hace que los transistores GAA sean superiores?

Los transistores GAA o "gate-all-around" presentan una estructura de transistor avanzada en la que la puerta puede entrar en contacto con el canal por todos los lados. En otras palabras, estos transistores hacen posible el escalado continuo. 

Lo que más destaca de su ingenio tecnológico es la pila de láminas horizontales que mejoran el control del canal del transistor. Estas láminas son nanohojas apiladas. Como las láminas horizontales separadas están apiladas verticalmente, la puerta puede rodear el canal por los cuatro lados, lo que reduce las fugas y aumenta la corriente de accionamiento. El resultado es un mejor paso de las señales a través y entre los transistores. Este mejor paso de las señales mejora el rendimiento del chip y permite a los fabricantes de chips experimentar con la anchura de las nanohojas para ofrecer la mejor hoja posible para un diseño de chip concreto. 

Las nanohojas son eficientes en muchos sentidos. Las nanohojas anchas permiten una mayor y mejor corriente de accionamiento, mientras que las nanohojas estrechas pueden optimizar el consumo de energía. Esta versatilidad hace que los transistores GAA estén preparados para convertirse en los más sofisticados entre sus homólogos en un futuro próximo.

Además, estos transistores son rentables. Se pueden fabricar de forma asequible, lo que ayuda a mantener asequible la producción en masa de chips avanzados. En última instancia, esto ayudará a mejorar el rendimiento de todo lo electrónico que nos rodea, incluida la conectividad 5G, los juegos, los gráficos, las soluciones de IA, la tecnología médica, la tecnología automotriz y mucho más. 

Invertir en transistores GAA

Aunque la GAA ha avanzado mucho en los últimos tiempos, el interés en torno a ella ha estado presente entre la comunidad científica desde hace bastante tiempo. Los registros sugieren que la primera tecnología GAA se demostró en 1986. Sin embargo, no fue hasta 2022 cuando Samsung fabricó por primera vez el primer chip con GAA en un nodo de procesador de 3 nm. Samsung llamó a su sabor GAA FET multicanal (MOSFET)que utilizaba nanoplanchas con canales más anchos, lo que permitía un mayor rendimiento y una mayor eficiencia energética en comparación con las tecnologías GAA que utilizaban nanocables con canales más estrechos.

Desde entonces, muchas empresas han trabajado en ello. Sin embargo, Intel (INTC +2.43%)en particular, parece una opción sólida en estos momentos porque es una de las pocas que está llevando la tecnología de transistores GAA a la producción real. Su proceso 18A, que utiliza RibbonFET y PowerVia, ya está mostrando mejoras reales en rendimiento y eficiencia, y cuenta con el respaldo de un amplio grupo de socios en diseño y fabricación.

Lo que lo hace más interesante es que Intel no sólo diseña chips, sino que también los fabrica en Estados Unidos. Por tanto, Intel tiene el impulso, la escala y una hoja de ruta clara. Con el rápido crecimiento de la IA y la computación de alto rendimiento, su posición parece mucho más dominante que la de otras empresas en este campo.

Intel (INTC +2.43%)

RibbonFET fue el primer transistor Gate-All-Around (GAA) de Intelque ofrece hasta 15% más de rendimiento por vatio en comparación con FinFET, su predecesor tecnológico. En 2021, Intel presentó Intel 18A, su tecnología de transistores RibbonFET gate-all-around (GAA). 

Además de 15% más de rendimiento por vatio, la solución prometía una mejora de 30% en la densidad de chips en comparación con el nodo de proceso Intel 3. Intel afirmó que se trataba del nodo avanzado de sub-2nm más temprano disponible fabricado en Norteamérica, lo que ofrecía a los clientes una alternativa de suministro resistente.

La solución se basaba en la tecnología PowerVia, pionera en el sector, de suministro de energía por la parte trasera. Contribuyó a mejorar la densidad y la utilización de las células entre un 5 y un 10 por ciento y a reducir la caída de potencia resistiva, lo que se tradujo en una mejora del rendimiento de potencia ISO de hasta un 4 por ciento. También redujo significativamente la caída de la resistencia inherente (IR) en comparación con los diseños de alimentación frontal.

Como ya se ha comentado, la implementación de la tecnología de transistores GAA ayudó a Intel a permitir un control preciso de la corriente eléctrica, lo que permitió una mayor miniaturización de los componentes de los chips al tiempo que se reducían las fugas de energía, una preocupación crítica para los chips cada vez más densos.

Los condensadores Omni MIM ayudaron a reducir la caída de potencia inductiva, mejorando el funcionamiento estable del chip. Intel creía que esta mejora podría resultar crucial para cargas de trabajo modernas como la IA generativa, que requieren una potencia de cálculo repentina e intensa.

La tecnología de transistores GAA de Intel es totalmente compatible con las herramientas EDA y los flujos de referencia estándar del sector, lo que permite una actualización sin problemas desde otros nodos tecnológicos.Intel afirma que sus clientes pueden empezar a diseñar con PowerVia antes que con otras soluciones de alimentación trasera.

Todo el ecosistema ha participado en la fabricación de esta tecnología de vanguardia, ya que el desarrollo ha contado con la participación de más de 35 socios del ecosistema líderes en el sector, que abarcan EDA, IP, servicios de diseño, servicios en la nube, aeroespacial y defensa. 

Intel sigue evolucionando con la familia de soluciones 18A.

Intel tiene el 18A-P y el 18A-PT. El 18A-PT es una incorporación importante, ya que está diseñado para IA y HPC. clientes que crean diseños 3DIC de nueva generación. La solución incluye una pila de metal back-end actualizada, TSV pasantes, TSV troquel a troquel y una interfaz de unión híbrida (HBI) avanzada con un paso líder en el sector. 

Intel afirma que la solución es apta para una escalabilidad e integración significativamente mejoradas para cargas de trabajo avanzadas, lo que permite a los clientes ampliar los límites de la IA y la informática de alto rendimiento. 

Además del 18A-PT, Intel también tiene el 18A-P. Esta variante relativamente más antigua se basa en la segunda implementación de las tecnologías RibbonFET y PowerVia de Intel para ofrecer un rendimiento de próxima generación y una mayor eficiencia energética. 

La solución incluye nuevos dispositivos optimizados para un menor voltaje de umbral y fugas, así como nuevos anchos de cinta de grano fino, para lograr importantes ganancias de rendimiento por vatio y un mejor rendimiento de los transistores. 

Casos de uso reales de la tecnología de transistores GAA de Intel

Para la informática de alto rendimiento y las aplicaciones de IA, las soluciones de Intel proporcionan un control superior de los canales, ofreciendo un mejor rendimiento de los transistores por vatio con una alta corriente de accionamiento y escalabilidad.

La reducción de área del RibbonFET permite más funcionalidad en chips más pequeños, lo que resulta beneficioso para los sensores médicos e industriales compactos.

Ayuda a construir sofisticados procesadores móviles y de banda ancha atendiendo a las necesidades de las aplicaciones móviles. Sus avanzadas técnicas de fabricación ayudan a garantizar un rendimiento constante y fiable, mientras que los voltajes umbral ajustados ofrecen una eficiencia energética excepcional, lo que se traduce en una mejora general de la duración de la batería de los dispositivos móviles. 

La solución también resulta eficaz para las necesidades aeroespaciales y de defensa que exigen una mayor potencia de cálculo y tienen estrictos requisitos de tamaño, peso, potencia y coste (SWaP-C). 

Las soluciones Intel 18A tienen una baja caída de IR que proporciona la eficiencia necesaria para aplicaciones con restricciones de potencia sin comprometer el rendimiento. 

Con todas estas mejoras y funciones integradas en su solución, la tecnología GAA de Intel es nada menos que transformadora. Su rendimiento está a la altura de lo que suele esperarse de Intel, una potencia en innovación tecnológica. 

En enero de 2025, Intel comunicó unos ingresos en el cuarto trimestre de 14.300 millones de PTU, lo que supone un descenso interanual de 71 PTU, mientras que sus ingresos para todo el año fueron de 53.100 millones de PTU, lo que supone un descenso interanual de 21 PTU.

Mientras se espera que Intel continúe con su innovación en GAA y alcance nuevos hitos, la investigación general en torno a los transistores GAA está en pleno apogeo. 

Últimas noticias y avances sobre Intel Corporation (INTC)

Posibilidades de futuro con la GAA 

Otro líder de la industria en esta área, Samsung, creía que los transistores GAA pronto encontrarían su camino en las aplicaciones de semiconductores de próxima generación que requerían alto rendimiento y bajo consumo de energía, desde IA hasta Big Data, conducción autónoma e Internet de las Cosas.

Un trabajo de investigación, publicado en 2024¹, investiga los transistores de efecto de campo todo-por-puerta (GAA FET) como soluciones viables para las modernas aplicaciones electrónicas de bajo consumo y alto rendimiento. Los investigadores llevaron a cabo un extenso análisis experimental que incluyó la fabricación, la caracterización eléctrica y el modelado de simulación para profundizar en las propiedades eléctricas intrínsecas y las métricas de rendimiento de los FET GAA.

Examinaron rigurosamente múltiples parámetros clave, como el voltaje umbral, la corriente de fuga, la oscilación subumbral y la transconductancia, para evaluar la eficiencia operativa del transistor en aplicaciones de bajo consumo. Además, desarrollaron y validaron modelos de simulación avanzados para predecir con exactitud el comportamiento del FET GAA, facilitando futuras mejoras de diseño para la informática de alto rendimiento. A la vez que se extraían conclusiones, la investigación destacaba las ventajosas características de los FET GAA y los situaba como prometedores candidatos para cumplir los requisitos tanto de bajo consumo como de computación de alto rendimiento. 

Otra investigación vital, publicado en 2022se dedicó a estudiar las posibilidades del proceso FET con nanoplanchas de GAA. Los investigadores afirmaron que muchos implicados en el campo estaban ya piensan en lo que hay más allá de los FET de nanoescala. Afirman que los principales contendientes para continuar el escalado de la ley de Moore son los FET de transporte vertical (VTFET) y los transistores apilados.

Los investigadores también analizaron los problemas de procesamiento que se interponen en el camino de la tecnología de transistores de nanohoja con puerta de acceso. Los clasificaron en cuatro grandes categorías:

• Autocalentamiento
• Estabilidad mecánica durante la fabricación
• Variabilidad de los dispositivos
• Mezcla Si-SiGe

Los investigadores destacaron que, aunque los sustratos novedosos, como el diamante sobre silicio, podrían proporcionar efectos de autocalentamiento mejorados, era menos probable que se adoptara un esquema de este tipo en la fabricación de grandes volúmenes. 

Admitieron que las nanohojas permitían flexibilidad en el diseño, y que la relación de aspecto de las hojas y la integridad mecánica del espaciador interior desempeñaban un papel crucial en la estabilidad general de estas hojas. Hicieron hincapié en la necesidad de optimizar la variabilidad de los dispositivos, que podría deberse a varias causas, entre otras, la rugosidad del borde de la línea, la rugosidad del borde de la puerta, la deposición no uniforme de metales en función del trabajo y las fluctuaciones aleatorias de los dopantes. 

En concreto, hablaron de cómo el Si-SiGe La propia pila de nanohojas era susceptible de entremezclarse térmicamente cuando se sometía a numerosos ciclos térmicos antes del paso de liberación de canales. Sin embargo, confirmaron que este efecto era tolerable siempre que los canales de SiGe pudieran grabarse selectivamente en las láminas de canales de Si y que las láminas de Si no se grabaran en exceso debido a la mezcla de Si-SiGe.

Aunque todos estos retos persisten, hay que volver a lo básico para entender por qué los transistores GAA son pioneros en la trayectoria de crecimiento de la tecnología de transistores. Los GAA eran superiores a su predecesor, los FinFET, porque resolvían muchos problemas relacionados con la corriente de fuga, ya que sus canales eran horizontales. Y, en segundo lugar, como los transistores GAA estaban rodeados de puertas por los cuatro lados, ayudaban a la estructura de un transistor. La estructura mejorada podía controlar la corriente con más precisión que el proceso FinFET. 

Aparte de empresas como Intel y Samsung, TSMC, líder en este espacio, también empezó a emplear transistores GAA en la generación inicial de su tecnología de proceso N2. El proceso de semiconductores FinFET, pese a seguir siendo un estándar de fabricación durante varios años, experimentó mejoras significativas con la llegada de la tecnología GAA.

Los expertos consideran la tecnología de proceso GAA también un hito importante en la litografía del silicio. Esperan que GAA tome el testigo y eleve la industria de los semiconductores al siguiente nivel de escalado del silicio desde donde lo había dejado la tecnología de proceso FinFET.  

Los investigadores también son optimistas respecto a los avances logrados en los transistores de efecto de campo GAA de capacitancia negativa. Destacaron que GAA-FETEl control superior de la puerta y la mayor capacidad de supresión de SCE del FinFET, debido a su estructura de puerta envolvente, le permitirían dominar el mercado de semiconductores para los nodos tecnológicos de 3 nm y posteriores. Sin embargo, advirtieron que, a pesar de que el GAA-FET demostró su superioridad como opción potencial para reducir el SCE, no podía ignorarse el aumento del consumo de energía.

Otra investigación provocó que la comunidad científica mirara más allá de la innovación a nivel de transistor y se dan cuenta de la importancia de la innovación en los campos de las interconexiones y el suministro de energía para completar. Mencionaron una propuesta en el campo de la alimentación eléctrica, conocida como carril de alimentación enterrado (BPR), que propone desplazar los carriles de alimentación para situarlos por debajo de los dispositivos transistores, proporcionando así área en la cara frontal para la flexibilidad de enrutamiento y reduciendo la aglomeración de conductores. Sin embargo, plantea varios problemas técnicos, como la creación de patrones en la cara posterior, la alineación de las estructuras de la cara anterior con las de la posterior y el adelgazamiento de la oblea en la cara posterior.

En resumen, como cualquier otro campo de la innovación, los transistores también necesitan pasar por un proceso constante de pruebas y errores para mejorar con el tiempo. Sin embargo, por el momento, el GAA está dando resultados prometedores y podría imponerse en un futuro próximo.

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Estudios referenciados:

^{1. Reddy Hemantha, G., Priya, A. S., Suman, J. V., Rao, T. V. J., Priyadarshini, G. M. A., & Mallam, M. (2024, mayo). 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}