GAAFET

Yarı iletken aygıt üretimi
MOSFET ölçeklemesi (üretim süreçleri)
020 µm – 1968 010 µm – 1971 006 µm – 1974 003 µm – 1977  1,5 µm – 1981 001 µm – 1984 800 nm – 1987 600 nm – 1990 350 nm – 1995 250 nm – 1997 180 nm – 1999 130 nm – 2001 090 nm – 2003 065 nm – 2005 045 nm – 2007 032 nm – 2009 028 nm – 2010 022 nm – 2012 014 nm – 2014 010 nm – 2016 007 nm – 2018 005 nm – 2020 003 nm – 2022 002 nm – 2025
Gelecek
1 nm ~ 2027
İlgili
Devre küçültme Transistör sayısı CMOS Yarı iletken cihaz Moore yasası Yarı iletken Yarı iletken sanayii Mikroelektronik Nanoelektronik
g t d

GAAFET (İngilizce: gate-all-around field-effect transistor, her yandan saran kapılı alan etkili transistör), kapının kanalı dört yandan bütünüyle sardığı bir MOSFET türüdür. Kapının kanalı yalnızca üç yandan sardığı FinFET'in ardılıdır ve 3 nanometre sınıfından başlayarak ileri mantık süreçlerinde onun yerini almıştır. Kanalı her yandan saran kapı, kanal üzerindeki elektrostatik denetimi güçlendirir; bu da transistör küçüldükçe artan kısa kanal etkilerini ve sızıntı akımını sınırlar.

Adlandırma

GAAFET bir yapı adıdır, ticari bir süreç adı değildir. Üreticiler aynı yapıyı kendi adlarıyla sunar: Samsung çok köprülü kanal anlamına gelen MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET), Intel ise RibbonFET adını kullanır.

Kanalın biçimine göre de ayrı adlar kullanılır. Kanal ince ve yassı bir dilim biçimindeyse nanolevha (nanosheet), dar ve tel benzeri bir kesitteyse nanotel (nanowire) denir. İkisi de aynı kapı düzenini paylaşır; ayrım kanalın en-boy oranındadır. Seri üretime giren tasarımlar nanolevha biçimindedir.

Yapı

Bir GAAFET'te kanal, altlıktan ayrılmış olarak asılı durur ve kapı malzemesi kanalın çevresini bütünüyle kuşatır. Kanal genellikle üst üste dizili birkaç ince silisyum levhadan oluşur; levhalar arasındaki boşluklar da kapı malzemesiyle doldurulduğundan, tek bir transistör birden çok kanalı koşut olarak sürer.

Kanalların arasına kapı ile kaynak ve savak bölgelerini birbirinden ayıran iç ara parçalar yerleştirilir. Bu parçalar kapı ile kaynak-savak arasındaki asalak sığayı sınırlar; asalak sığa, yapının başlıca güçlüklerinden biridir, çünkü kapının kanalı bütünüyle sarması temas alanını da büyütür.

Yapının ölçekleme değeri elektrostatikten gelir. Kapı kanalı ne kadar çok yandan sararsa, savak geriliminin kanal üzerindeki etkisi o kadar zayıflar; transistör kapalı durumda daha iyi kapanır ve aynı sızıntı düzeyi daha kısa bir kanalla korunabilir. FinFET'te kapı üç yandan sarar, GAAFET'te dört yandan.

FinFET'ten farkı

İki yapı arasındaki fark yalnızca kapının kaç yandan sardığı değildir. Tasarım açısından daha önemli olan, kanal genişliğinin nasıl seçilebildiğidir.

FinFET'te bir transistörün sürebileceği akım, kullanılan yüzgeç sayısıyla belirlenir. Yüzgecin yüksekliği süreçte sabit olduğundan, tasarımcı ancak yüzgeç ekleyip çıkararak akımı ayarlayabilir; genişlik kesikli basamaklar hâlinde değişir. GAAFET'te ise levhanın genişliği süreç sınırları içinde sürekli olarak seçilebilir. Böylece aynı hücre kitaplığında hem dar ve düşük güçlü hem de geniş ve yüksek sürme akımlı aygıtlar üretilebilir.

İkinci fark alan verimliliğidir. FinFET'te akımı artırmanın yolu yan yana yüzgeç eklemek, dolayısıyla yatayda yer kaplamaktır. GAAFET'te levhalar üst üste dizildiğinden, aynı taban alanında daha çok kanal genişliği elde edilir. Kuşak geçişinin gerekçesi büyük ölçüde budur: FinFET'in ölçeklenmesi yüzgeç aralığının küçülmesine bağlıydı ve bu yol tükenmişti.

Üretim

Üretim, silisyum plaka üzerine almaşık silisyum ve silisyum germanyum katmanlarından oluşan bir yığın büyütülerek başlar. Bu yığın, FinFET üretimindekine benzer biçimde yüzgeçler hâlinde desenlenir; sonuçta her yüzgeç, üst üste duran ince katmanlardan oluşan bir dilim olur.

Belirleyici adım kanalın serbest bırakılmasıdır. Silisyum germanyum katmanları, silisyuma dokunmayan seçici bir aşındırmayla çekilir; geriye asılı duran silisyum levhalar ve aralarındaki boşluklar kalır. Bu boşluklar sonra kapı yalıtkanı ve kapı metaliyle doldurulur, böylece kapı her levhayı çevreler.

Bu akış FinFET akışının büyük bölümünü koruduğu için, kuşak geçişi üretim hattının bütünüyle yenilenmesini gerektirmemiştir. Buna karşılık levha kalınlığının ve aralıklarının denetimi, tek bir yüzgecin biçimlendirilmesinden daha sıkı bir süreç denetimi ister; bu da değişkenliğin ve verimin kuşağın belirleyici sorunları olmasına yol açar.

Tarihçe

Kanalı her yandan saran kapı fikri üretime girmesinden otuz yıldan uzun süre önce ortaya konmuştur. Colinge ve arkadaşları 1990'da, yalıtkan üzeri silisyum üzerinde kapının kanalı bütünüyle sardığı bir aygıt bildirmiş ve yapıyı "her yandan saran kapılı aygıt" diye adlandırmıştır.

Yapının FinFET'in ardılı olarak ele alınması 2010'ların ortasında başlamıştır. 2016'da FinFET ötesi yoğunluk ölçeklemesinin mimari seçenekleri değerlendirilmiş, her yandan saran kapılı düzenin bu iş için elverişli olduğu ortaya konmuştur. 2017'de üst üste dizili nanolevha biçiminde bir GAAFET gösterilmiş ve yapı, FinFET ötesinde ölçeklemeyi olanaklı kılan aygıt diye tanıtılmıştır. 2018'de 3 nanometre ve ötesine ölçeklemenin seçenekleri değerlendirilirken bu yapı ana adaylardan biri olarak ele alınmıştır.

Ticari kullanım

Yapıyı seri üretime ilk geçiren şirket Samsung olmuştur. Şirket 30 Haziran 2022'de, MBCFET adını verdiği GAAFET yapısıyla 3 nanometrelik süreçte yonga üretimine başladığını duyurmuştur.

TSMC FinFET'i bir kuşak daha sürdürmüş, nanolevhaya 2 nanometre (N2) sürecinde geçmiştir; şirket N2'yi kendi ilk kuşak nanolevha teknolojisi olarak tanımlar ve süreç 2025'in dördüncü çeyreğinde seri üretime girmiştir. Intel ise yapıyı RibbonFET adıyla 18A sürecinde kullanmaktadır.

Kuşak adlarının aynı yapısal dönüm noktasına karşılık gelmediğine bu çizelge de örnektir: Samsung nanolevhaya 3 nm adlı süreçte, TSMC ise 2 nm adlı süreçte geçmiştir. Aynı adı taşıyan iki süreçten biri FinFET, ötekisi GAAFET olabilir.

Yapı, kendisiyle birlikte gelen öteki yeniliklerle bir arada kullanılır. Arka yüzden güç dağıtımı ve gömülü güç hattı gibi düzenler, mantık yoğunluğunu transistörün kendisini küçültmeden artırmayı amaçlar ve GAAFET kuşağında devreye girmiştir. Kuşakta yayımlanan devre ölçüleri de bu yapıya dayanır; 2 nanometrelik nanolevha teknolojisinde 38,1 Mb/mm²'lik bir SRAM öbeği bildirilmiştir.

Sınırlar ve ardılları

GAAFET'in kendi sınırları da bellidir. Kapının kanalı bütünüyle sarması asalak sığayı büyütür, levhaların ısıyı atması düzlemsel yapıya göre güçtür ve levha kalınlığındaki küçük sapmalar aygıt niteliklerinde belirgin değişkenliğe yol açar.

Yapının ardılı olarak iki düzen üzerinde çalışılmaktadır. Bunlardan ilkinde, karşıt tipteki iki aygıtın arasına yalıtkan bir duvar konarak n ve p aygıtları birbirine yaklaştırılır; forksheet adı verilen bu düzen, hücre yüksekliğini daha da küçültmeyi amaçlar. İkincisinde n ve p aygıtları yan yana değil üst üste yerleştirilir; CFET (complementary FET) adlı bu düzenin nanolevhalı ölçüte göre sağlayabileceği kazanç ayrıca incelenmiştir.

Ayrıca bakınız

• Moore yasası
• Dennard ölçeklemesi

Kaynakça