GAAFET: Qué es y para que servirá

GAAFET es la nueva estructura para implementar transistores en la que todos los fabricantes de la industria se están fijando. Serán los sucesores de los actuales FinFET que, a su vez, fueron los sucesores de los MOSFET anteriores. Así es como la industria de los semiconductores trata de lidiar con las barreras en una era en la que cada vez es más complicado seguir mejorando la tecnología.

En este tutorial podrás aprender qué es GAAFET, cómo son realmente estos transistores, y qué posibilidades brindarán para los futuros chips.

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Tipos de transistores integrados: del MESA al FinFET

A lo largo de los años ha habido varios tipos de transistores o estructuras para implementarlos:

• MESA: fue una estructura ideada para los primeros transistores de silicio de unión cultivada creados en 1954 por Texas Instruments. Fue desarrollado por Bell Labs en 1955 y comercializado por Fairchild Semiconductor en 1958. Los primeros transistores en tener bases difusas y emisores difusos, pero seguían exponiendo el borde de la unión colector-base como los anteriores transistores, lo que los hacía sensibles a fugas a través de contaminantes superficiales. Por eso necesitaba empaquetados herméticos.
• Planar MOSFET: este proceso de fabricación de dispositivos fue el reinante, y aún se sigue empleando ampliamente. Se trata de una forma de construir componentes individuales y conectados entre sí mediante capas de interconexiones, usando métodos de pasivación y oxidación. En parte, todos los desarrollos posteriores han seguido esta tecnología como base, y se la debemos a Fairchild Semiconductor, que lo desarrolló en 1959. Actualmente se sigue empleando para chips menos complejos, como los de puertas lógicas, ciertas memorias, chips controladores, etc.
• FinFET: esta otra evolución de los transistores MOSFET, o de efecto de campo, emplean múltiples puertas. Es decir, se puede implementar con dos, tres, cuatro lados del canal envueltos por la puerta. Esta nueva estructura permite crear transistores mejores, más rápidos en conmutación y también mejora la densidad de corriente frente a la tecnología planar CMOS. Estos transistores se comenzaron a usar de forma comercial en la década de 2010, y se convirtieron en los dominantes para procesos de 14 a 7nm, y siguen empleándose actualmente para los chips más avanzados.

También ha habido otros intentos para chips de alto rendimiento, como los BiCMOS probados en algunos modelos de IBM, etc. Pero básicamente, los más destacados fueron esos tres hasta la actualidad. Y es que la industria de los semiconductores es muy dinámica, siempre a la vanguardia tratando de mejorar la integración de los dispositivos.

¿Qué es GAAFET? ¿Qué es MBCFET? ¿Qué es SGT? ¿Qué es Nanoribbon?

Para procesos nuevos de fabricación, destinados a los chips más avanzados, se están comenzando a emplear diseños como los GAAFETs, MBCFETs, SGTs o Nanoribbon. Unas estructuras que, al igual que el FinFET, pertenecen a los llamados MuGFET. Básicamente todas son lo mismo, se trata de sinónimos, excepto que GAAFET y MBCFET se refiere a estructuras en las que se usan nanocables o nanohojas respectivamente.

Si no comprendes muy bien la diferencia entre los nanowires y las nanosheets, además de la estructura, es que ofrecen una menor corriente de fuga, y menor tiempo de switching, así como la posibilidad de variar el ancho del canal según el tipo de uso. De hecho, las nanohojas, con un canal más ancho pueden conducir mayores corrientes comparado con los FinFETs.

¿Sabías que? La tecnología que actualmente se está empleando para la fabricación de los chips semiconductores actuales, como los procesadores o las memorias, así como las próximas tecnologías que aún no se están empleando fueron desarrolladas hace años. Por ejemplo, los SGT (Surrounding Gate Transistor) los creó Fujio Matsuoca, ingeniero de Toshiba, hace unas décadas (1988). SGT fue el nombre que recibieron los GAAFET anteriormente. Lo mismo ocurre con otras tecnologías como EUV, que también fue desarrollada hace años. De hecho, actualmente, en ASML e IMEC, se están desarrollando las tecnologías que llegarán dentro de unos años al sector de los semiconductores, más allá de los 3nm, de los GAAFET,…

Un GAAFET o (Gate-All-Around FET) o SGT es similar en concepto al FinFET, solo que la puerta rodea toda la región del canal por todos sus lados. Además, según el diseño, se pueden apreciar estructuras con 2, 3, 4 puertas efectivas apiladas, lo que incrementa la densidad por unidad de superficie de estos transistores y por eso son los que se van a emplear en nuevos nodos de fabricación.

Estos transistores resultaron un éxito a nivel teórico, y ahora también lo están siendo experimentalmente, por lo que pronto se esperan los primeros diseños de esta tecnología desarrollada por primera vez en 1988 (por el Dr. Fujio Masuoka, también inventor de la memoria flash).

Los GAAFET además resultan perfectos para implementarlos en nodos por debajo de los 7nm, como los procesos de 5nm en adelante. Por ahora, compañías como Intel, Samsung, dos de los tres líderes en cuanto a foundries, han anunciado que comenzarán a emplear este tipo de transistores, aunque no todos irán en la misma dirección.

MBCFET (MultiBridge Chanel FET) es la marca comercial registrada por Samsung Electronics en EE.UU.

Samsung e Intel han optado por producir en masa chips basados en MBCFET y GAAFET, mientras que el líder absoluto de la industria, TSMC, ha anunciado un rumbo que apunta a seguir con FinFET también en su nodo de 5 y 3 nm. No obstante, está desarrollando sus transistores GAAFET para futuros nodos.

Ventajas de los transistores tipo GAAFET

En comparación con los actuales FinFET, los GAAFET/MBCFET tienen sus diferencias y sus ventajas:

• Estructura interna: un FinFET se construye usando procesos de fotolitografía y grabado para crear una especie de cresta con el canal y con la puerta rodeando tres de los lados del canal. En cambio, los tipo GAAFET tienen la puerta totalmente rodeando al canal. Además, la estructura del canal puede ser en forma de nanoláminas o nanocables, y habrá varios apilados, lo que brinda la ventaja de ofrecer un canal escalable y mejor densidad de integración por unidad de superficie.
• Producción: tanto FinFET como GAAFET se pueden manufacturar en masa usando las mismas máquinas y fundamentos, por lo que no hay que alterar las foundries para poder crear estos otros tipos de transistores. Esto abarata costes que implicarían otras tecnologías que necesitan de cambios sustanciales y hace de la transición de FinFET a GAAFET algo liviano.
• Área y velocidad de conmutación: en un FinFET se pueden aumentar las velocidades del dispositivo agregando más aletas paralelas aumentando el área de la huella, pero eso implica ocupar mayor cantidad de superficie en el chip, lo cual limita el aumento de velocidad. En cambio, en los tipo GAAFET se puede ampliar el número apilando nanocables o nanoláminas sin necesidad de agregar mayor volumen hacia los lados. Es decir, se puede aumentar la velocidad sin las limitaciones de los FinFET. Esto sería una filosofía similar a construir una casa (FinFET) y un rascacielos (GAAFET).
• Corriente de accionamiento: las nanoláminas proporcionan una corriente de accionamiento más grande debido a su huella mayor en comparación con los FinFET y los GAAFET basados en nanocables. Y todo gracias a que el apilamiento de estas estructuras genera un aumento efectivo del ancho del canal, pero sin ocupar más superficie en el chip.
• Consumo: al tener una puerta rodeando los tres lados del canal, un FinFET deja un lado sin control, lo que causa que, cuando la longitud de la puerta disminuye, se generen efectos indeseables de canal corto y mayores corrientes de fuga a través del lago sin puerta. En los GAAFETs, al encerrar completamente al canal, se elimina este problema, aumentando el control del canal y reduciendo las corrientes de fuga. Esto significa menor consumo estático, y también permite reducir el voltaje operativo del chip, lo que se traduce en menor consumo dinámico. En definitiva, chips que son más eficientes.

El software EDA ya está incorporando estos diseños a sus bibliotecas de componentes, como por ejemplo el caso de Cadence, uno de los software más profesionales en este sentido (aunque algunas empresas como Intel, AMD, etc., usan sus propios software «homemade»).

Conclusión, una serie de mejoras en cuanto a la corriente, eficiencia energética, flexibilidad de diseño, velocidad de conmutación, y rendimiento que hacen de estos transistores un futuro muy prometedor para esta industria. No obstante, también tienen sus limitaciones, ya que ocupar menor superficie no significa no ocupar superficie, y dado que cada vez se necesita mayor grado de integración y densidad de transistores por unidad de superficie, es muy probable que pronto veamos nuevos diseños mejorados para satisfacer nuevas necesidades. Eso y los materiales exóticos pueden abrir nuevas puertas para seguir estirando la tecnología basada en el silicio por unos años más.

Así son los pequeños dispositivos semiconductores que realizan el trabajo de los chips que ahora mismo estás usando para leer este artículo. ¿Cuál crees que será el siguiente paso de este sector?