天研：高水平论文解读

摘要

关键词

金属氧化物半导体场效应晶体管 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)
互补金属氧化物半导体技术 (CMOS technology)
亚10纳米晶体管 (sub-10-nanometre transistors)
晶体管缩放挑战 (Transistor Scaling Challenges)
后摩尔晶体管 (Beyond-MOSFET Transistors)

研究背景

MOSFET作为互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的核心元件，在过去六十年推动了信息技术的蓬勃发展。然而，随着器件尺寸进入亚10纳米节点，其缩放面临着短沟道效应、电容寄生效应、泄漏电流等一系列问题。本文旨在通过回顾当前和未来CMOS技术的挑战，分析最具潜力的技术路径，并为研究者提供集中与高效的研究方向。

关键点

亚10纳米MOSFET的关键技术分析
新材料与器件架构对缩放的影响
多门结构晶体管及纳米线技术
碳纳米管和二维材料在未来晶体管中的应用潜力
后摩尔晶体管的创新方向

研究内容

以下内容重点介绍了近年来晶体管发展的重要进展：

高介电常数金属栅（HKMG）技术：通过采用高k材料解决传统MOSFET的氧化物泄漏问题，并显著提升晶体管性能。
鳍式场效应晶体管（FinFET）：引入三维结构提高了晶体管的电流驱动能力，但其在5纳米以下的缩放面临诸多挑战。
纳米线与纳米片结构：垂直堆叠纳米线（VSNW）和纳米片（VSNS）晶体管通过增加有效传导表面积显著提高了性能。
二维材料晶体管：如MoS2、WSe2等显示出潜力，但仍需解决接触电阻和制造一致性等问题。
碳纳米管晶体管（SWNT）：通过先进接触技术实现了高性能，但在一致性和规模化方面仍有待提升。

**图1 | 晶体管技术的历史。**
从真空管到双极型晶体管（BJT），再到金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的主要技术变迁，均由降低功耗的需求驱动。图中展示了四种非传统场效应晶体管（FET）缩放技术，即SOI（硅绝缘体上硅技术）、应变通道、高介电常数金属栅（HKMG）和鳍式场效应晶体管（FinFET），标注了其商业化时间及对应技术节点（0.18 μm、90 nm、45 nm 和 22 nm）。注意，从22 nm节点起，技术节点逐渐小于FET的物理尺寸。Ec表示导带最小值，Ev表示价带最大值。晶体管数量数据来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count。

**图2 | FET的物理基础与工作原理。**
(a) 45 nm节点平面n-MOSFET的透射电子显微镜（TEM）图像，采用高k金属栅（HKMG）技术，来源：Intel公司。
(b) n型FET的能带图。Ec、Ev和f(E)分别表示导带最小值、价带最大值和费米–狄拉克分布。λ为自然长度，决定电势从源极或漏极到通道的变化距离。
(c) 示意性电容网络图，展示了接地源极条件下的电容分布。Cgox’表示修正后的栅极电容，Cs/d表示源/漏结处电容，Cdep表示耗尽引起的电容，Cit表示界面陷阱电容，CQ表示量子电容。
(d) 转移特性曲线，即Id–Vg曲线，定义了亚阈值摆幅（SS）。HP和LP应用范围标注于图中。
(e) 输出特性曲线，即Id–Vd曲线，定义了输出电阻Ro。

**图3 | FET的缩放。**
(a) 典型FET结构，展示了缩放过程中的问题，包括反向偏置二极管泄漏（Rev-diode）。
(b) MOSFET缩放过程中四种主要泄漏路径的机制示意图。EFG表示栅极的费米能级。
(c) 使用水龙头作为比喻的FET缩放场景图示，水流（电荷载流子）从源极流向漏极（通道）由栅极（旋钮）控制。不同水龙头形式表征不同的缩放场景。λ为自然长度，ν为载流子速度。

**图4 | 超越FinFET的晶体管。**
(a) 不同晶体管结构的示意图，包括FinFET、垂直堆叠纳米线（VSNW）、横向封装纳米线（LPNW）、垂直堆叠纳米片（VSNS）、横向封装纳米片（LPNS）、垂直堆叠二维材料（VS2D）和横向封装单壁碳纳米管（LPSWNT）。S/G/D分别表示源极/栅极/漏极，Lcontact/Lspacer/Lgap分别表示接触/间隔/源漏间隙长度，n为横向方向的通道数量。
(b) FinFET性能（工作频率）与鳍宽（厚度）关系，显示4 nm是最佳鳍宽。性能相对值基于14 nm技术节点。
(c) 垂直堆叠纳米片（VSNS）较FinFET在有效器件宽度（Weff）方面的优势。
(d) 单壁碳纳米管（SWNT）和二维材料（2D）在载流子密度上的比较。
(e) SWNT和二维材料的电子态密度（DOS）随能量变化曲线。

**图5 | 现有及新兴MOSFET技术的对比分析。**
(a) 各种材料（如InGaAs、Si、SWNT、2D等）MOSFET的接触电阻与通道厚度的关系。
(b) 移动性与带隙的关系，SWNT和III–V材料显示出最高的移动性。
(c) 各种器件的最高开启电流与电场强度的关系。
(d) 基于不同材料的FET在高性能（HP）和低功耗（LP）应用中的性能映射。

**图6 | 晶体管技术的未来方向。**
(a) 展示了各种“后MOSFET”晶体管的结构示意，包括负电容晶体管（NC-FET）和相变晶体管（PC-FET）。
(b) 相变晶体管中相变材料的电导特性与电场的关系。
(c) 使用二维材料的场效应晶体管结构及其电学性能对比。

**图7 | 各种晶体管技术的综合评估。**
对新兴晶体管技术进行多维度评估，包括静电控制、隧穿电流、制造兼容性、开启电流（Ion）、泄漏电流（Ioff）等。结果表明，二维材料和单壁碳纳米管在可扩展性上具有显著优势。

结论与展望

晶体管的未来将继续围绕缩放与创新展开。尽管当前技术面临诸多挑战，新材料和新架构的探索将为超越摩尔定律提供新的动力。未来的晶体管不仅在尺寸上突破限制，还将在能效与计算模式上带来革命性变化。

论文直达

原文标题：The future transistors

Nature, 2023, 620, 501–510

点击以下链接阅读原文：

原论文链接 >>>