Loading article…
SiGe（/ ˈ s ɪ ɡ iː /または/ ˈ s aɪ dʒ iː /）、またはシリコンゲルマニウムは、シリコンとゲルマニウムの任意のモル比の合金であり、分子式は Si 1− x Ge xの形です。これは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ用の集積回路（IC）の半導体材料として、またはCMOSトランジスタの歪み誘起層として一般的に使用されています。IBM は1989 年にこの技術を主流の製造に導入しました。 [ 1 ]この比較的新しい技術は、ミックスドシグナル回路およびアナログ回路のIC 設計および製造に機会を提供します。SiGe は、高温用途（>700 K）の熱電材料としても使用されます。
SiGeに関する最初の論文は、シリコンゲルマニウム合金の磁気抵抗に関するもので、1955年に発表されました。 [ 2 ] SiGeデバイスに関する最初の言及は、実際にはバイポーラトランジスタの最初の特許であり、1957年にヘテロ接合バイポーラトランジスタ（HBT）のSiGeベースのアイデアが物理学の説明とともに議論されました。[ 3 ]トランジスタに必要なSiGeヘテロ構造の最初のエピタキシャル成長は、1975年にドイツのウルムにあるAEG研究センター（現在のダイムラーベンツ）のエーリッヒ・カスパーとその同僚が分子線エピタキシー（MBE）を使用して実証するまで行われませんでした。[ 4 ]
シリコンゲルマニウムを半導体として使用することを提唱したのはバーニー・マイヤーソンでした。[ 5 ] その実現を何十年も遅らせていた課題は、ゲルマニウム原子がシリコン原子より約4%大きいことでした。シリコントランジスタの製造に通常用いられる高温では、これらの大きな原子を結晶シリコンに加えることで生じる歪みにより、膨大な数の欠陥が発生し、結果として得られる材料は実用化できませんでした。マイヤーソンらは[ 6 ]、当時考えられていた高温処理の要件が誤りであることを発見し、十分低い温度でSiGeを成長させることが可能になったため[ 7 ]、実質的に欠陥は形成されませんでした。この基本的な障害が解決されると、得られたSiGe材料は、従来の低コストのシリコン加工ツールセットを使用して高性能の電子機器に製造できることが示されました[ 8 ]。さらに重要なことに、得られたトランジスタの性能は、当時従来製造されたシリコンデバイスの限界と考えられていたものをはるかに超え、WiFiなどの新しい世代の低コスト商用無線技術を可能にしました[ 9 ] 。 SiGeプロセスは、シリコンCMOS製造と同程度のコストを実現し、ガリウムヒ素などの他のヘテロ接合技術よりもコストが低い。最近では、高純度Ge、SiGe、歪みシリコンなどのGe含有膜のMOVPE堆積において、ゲルマンよりも危険性の低い液体代替物として、有機ゲルマニウム前駆体（例えば、イソブチルゲルマン、アルキルゲルマニウム三塩化物、ジメチルアミノゲルマニウム三塩化物）が検討されている。[ 10 ] [ 11 ]
SiGeファウンドリサービスは、複数の半導体技術企業によって提供されています。AMDは、 65nmプロセスをターゲットとしたSiGeストレスシリコン技術のIBMとの共同開発を発表しました[ 12 ] 。TSMCもSiGe製造能力を販売しています。
2015年7月、IBMは7nm シリコンゲルマニウムプロセスを使用してトランジスタの動作サンプルを作成したと発表し、従来のプロセスと比較してトランジスタの数が4倍になると約束した。[ 13 ]
SiGeはCMOSロジックとヘテロ接合バイポーラトランジスタを統合できるため[ 14 ]、ミックスドシグナル集積回路に適しています[ 15 ] 。ヘテロ接合バイポーラトランジスタは、従来の同種接合バイポーラトランジスタよりも順方向ゲインが高く、逆方向ゲインが低くなっています。これは、低電流および高周波性能の向上につながります。バンドギャップを調整可能なヘテロ接合技術であるSiGeは、シリコンのみの技術よりも柔軟なバンドギャップ調整の機会を提供します。
シリコン・ゲルマニウム・オン・インシュレーター（SGOI）は、現在コンピュータチップで使用されているシリコン・オン・インシュレーター（SOI）技術に類似した技術です。SGOIは、 MOSトランジスタゲート下の結晶格子に歪みを加えることでマイクロチップ内のトランジスタの速度を向上させ、電子移動度と駆動電流を向上させます。SiGe MOSFETは、SiGeのバンドギャップ値が低いため、接合リーク電流も低減できます。 [ 16 ]しかし、SGOI MOSFETの大きな問題は、標準的なシリコン酸化プロセスを使用してシリコン・ゲルマニウムで安定した酸化物を形成できないことです。
SiGeの熱電特性は1964年に初めて測定され、p-SiGeは1000℃で最大ZTが約0.7、n-SiGeは1000℃で最大ZTが約1.0に達しました[ 17 ]。これらは高温での最高性能の熱電材料の一部です。シリコンゲルマニウム熱電デバイスMHW-RTG3は、ボイジャー1号と2号の宇宙船で使用されました[ 18 ] 。シリコンゲルマニウム熱電デバイスは、カッシーニ、ガリレオ、ユリシーズ に搭載された他のMHW-RTGおよびGPHS-RTGでも使用されました[ 19 ]。
アイントホーフェン工科大学の研究者らは、六方晶SiGe合金の組成を制御することで、発光する材料を開発した。[ 20 ]この材料は、その電子特性と相まって、単一チップに集積されたレーザーを製造し、電流の代わりに光を使ってデータ転送を可能にすることで、データ転送を高速化し、エネルギー消費と冷却システムの必要性を削減できる可能性を開く。オランダのアイントホーフェン工科大学のElham Fadaly、Alain Dijkstra、Erik Bakkers、ドイツのフリードリヒ・シラー大学イェーナのJens Renè Suckertを筆頭著者とする国際チームは、 Physics World誌から2020年のブレークスルー・オブ・ザ・イヤー賞を受賞した。[ 21 ]