GAA-FET

GAA-FET (Gate-All-Around Field-Effect Transistor, полевой транзистор с кольцевым затвором) — это тип полевого транзистора, в котором канал проводимости полностью окружён (охвачен) затвором. Относится к классу многозатворных (multigate) транзисторов и рассматривается как преемник FinFET-технологии в производстве интегральных схем с проектными нормами 3 нм и менее. GAA-FET обеспечивает лучший контроль над каналом, снижает токи утечки и позволяет продолжить масштабирование транзисторов в соответствии с законом Мура.

История и развитие

Концепция транзистора с затвором, окружающим канал, была предложена в конце 1980-х годов. Первые экспериментальные образцы GAA-FET были созданы в 1990-х годах, однако их практическое внедрение в массовое производство началось только в 2020-х годах. Основной причиной задержки стала сложность изготовления и необходимость совершенствования литографических процессов.

В 2011 году компания Intel внедрила FinFET-транзисторы, которые на тот момент обеспечили значительное улучшение характеристик по сравнению с планарными MOSFET. Однако к концу 2010-х годов масштабирование FinFET столкнулось с ограничениями: при уменьшении ширины ребра (fin) ухудшался контроль над каналом, возрастали токи утечки и паразитные ёмкости. GAA-FET стал логическим следующим шагом, позволяющим обойти эти ограничения.

Первым производителем, объявившим о начале массового производства GAA-FET, стала южнокорейская компания Samsung Electronics. В 2022 году Samsung анонсировала технологию 3GAE (3-nanometer Gate-All-Around Early) с использованием транзисторов типа MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET). В 2023 году начались поставки первых коммерческих чипов, изготовленных по этому техпроцессу. Компания TSMC анонсировала внедрение GAA-FET в своём техпроцессе N2 (2 нм) с началом производства в 2025 году. Intel также разрабатывает собственную версию GAA-FET, известную как RibbonFET, которая должна войти в техпроцесс Intel 20A (20 Å) в 2024—2025 годах.

Устройство и принцип работы

Структура

В отличие от FinFET, где канал представляет собой вертикальное ребро, окружённое затвором с трёх сторон, в GAA-FET канал выполнен в виде горизонтальных нанопроволок (nanowires) или нанопластин (nanosheets). Затвор полностью окружает каждую нанопроволоку, обеспечивая управление каналом со всех четырёх сторон.

Основные элементы GAA-FET:

• Канал: одна или несколько горизонтальных нанопроволок (или нанопластин) из кремния или кремний-германиевого сплава.
• Затвор: обволакивает каждую нанопроволоку, изолирован от канала тонким слоем диэлектрика (обычно диоксид гафния с высокой диэлектрической проницаемостью, high-k).
• Исток и сток: расположены на концах нанопроволок, формируются с помощью эпитаксиального роста.
• Подложка: кремниевая пластина, на которой размещается структура.

Принцип работы

Работа GAA-FET аналогична работе обычного полевого транзистора: напряжение, приложенное к затвору, создаёт электрическое поле, которое управляет проводимостью канала между истоком и стоком. Благодаря полному окружению канала затвором, поле действует на канал более эффективно, чем в FinFET или планарных транзисторах. Это позволяет:

• снизить напряжение питания и пороговое напряжение;
• уменьшить токи утечки в выключенном состоянии;
• улучшить крутизну вольт-амперной характеристики.

Типы GAA-FET

По конструкции канала различают два основных типа:

• Nanowire FET: канал состоит из одной или нескольких тонких нанопроволок (диаметром от 5 до 10 нм). Обеспечивает наилучший контроль, но имеет ограниченный ток.
• Nanosheet FET: канал выполнен в виде широких и тонких пластин (нанослоёв). Позволяет получить больший ток за счёт большей ширины канала, но требует более сложной технологии изготовления. Этот тип используется в коммерческих продуктах Samsung и TSMC.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Лучший контроль над каналом: полное окружение затвором снижает короткоканальные эффекты, характерные для суб-10 нм техпроцессов.
• Снижение токов утечки: улучшенное управление позволяет уменьшить токи в выключенном состоянии, что снижает энергопотребление.
• Масштабируемость: GAA-FET позволяет продолжить уменьшение проектных норм до 2 нм и ниже.
• Гибкость проектирования: ширина нанопластин может варьироваться, что даёт возможность оптимизировать транзистор для разных типов логических схем (высокопроизводительных или энергоэффективных).

Недостатки

• Сложность производства: процесс формирования нанопроволок и нанопластин требует прецизионной литографии и эпитаксии, что увеличивает стоимость и время изготовления.
• Тепловыделение: плотное расположение нанопроволок может ухудшать отвод тепла, что требует применения новых материалов и конструкций охлаждения.
• Паразитные ёмкости: между затвором и контактами истока/стока могут возникать дополнительные ёмкости, снижающие быстродействие.
• Ограниченная совместимость: переход на GAA-FET требует значительного изменения производственного процесса и оборудования, что затрудняет модернизацию существующих фабрик.

Применение

GAA-FET предназначен для использования в самых передовых интегральных схемах, где требуется высокая производительность и низкое энергопотребление. Основные области применения:

• Центральные процессоры (CPU): для серверов, персональных компьютеров и мобильных устройств.
• Графические процессоры (GPU): для высокопроизводительных вычислений и машинного обучения.
• Системы на кристалле (SoC): для смартфонов, планшетов и носимых устройств.
• Специализированные микросхемы (ASIC): для криптографии, сетевого оборудования и искусственного интеллекта.
• Память: в перспективе — для оперативной памяти (DRAM) и флеш-памяти (NAND).

Первые коммерческие продукты на основе GAA-FET (Samsung Exynos 2200 и другие) появились в 2023 году. Ожидается, что к 2026—2027 годам GAA-FET станет основным типом транзистора для всех передовых техпроцессов.

Производители

• Samsung Electronics: первая компания, начавшая массовое производство GAA-FET по техпроцессу 3GAE (3 нм). Использует нанопластины (MBCFET).
• TSMC: анонсировала техпроцесс N2 (2 нм) с GAA-FET, начало производства — 2025 год.
• Intel: разрабатывает RibbonFET (нанопластины) для техпроцесса Intel 20A (20 Å, ~2 нм), запуск — 2024—2025 годы.
• STMicroelectronics, GlobalFoundries, UMC: ведут исследования и разработки, но пока не объявили о конкретных сроках внедрения.

Перспективы

GAA-FET считается последним этапом масштабирования традиционных кремниевых транзисторов. Дальнейшее уменьшение размеров (до 1 нм и менее) потребует перехода на новые материалы (например, углеродные нанотрубки, графен, дихалькогениды переходных металлов) или на новые принципы работы (например, туннельные транзисторы, спинтроника). Однако в ближайшие 5—10 лет GAA-FET останется доминирующей технологией в полупроводниковой промышленности.

Источники

• S. Bangsaruntip et al., "Gate-All-Around Silicon Nanowire Transistors: A Review", IEEE Transactions on Electron Devices, 2020.
• S. H. Lee et al., "MBCFET: A New Transistor for 3nm Technology Node", Samsung Electronics Technical Report, 2022.
• M. Bohr, "The Evolution of Transistor Technology: From Planar to GAA", Intel Corporation, 2023.
• TSMC, "N2 Technology Overview", TSMC Technical Bulletin, 2024.
• ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), "More Moore: Transistor Scaling", 2021 Edition.