能够减少碳的晶体管:IBM混合和混合低功率硅基器件

2021-03-11 16:59

3月11日消息，最近，IBM欧洲研究中心和洛桑联邦理工学院的研究人员开发了一种混合硅基器件。该器件结合了三组或五组场效应晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管的优点，可以在不同的电压条件下实现较低的功耗，可用于减少未来信息通信行业的碳足迹。

这项研究已经发表在国际学术期刊《自然电子学》上，题目是《集成在硅上的混合三五族场效应晶体管和金氧半场效晶体管技术平台（A hybrid IIIV tunnel FET and MOSFET technology platform integrated on silicon）》。

一、两种场效应管性能各有优劣

摩尔定律决定了减小晶体管尺寸已经成为全球半导体行业追求的共同目标。然而，IBM欧洲研究中心和洛桑联邦理工学院的研究人员认为，除了减小晶体管尺寸之外，还有其他提高晶体管性能的方法。

研究人员已经注意到金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和隧道场效应晶体管(TFET)具有互补的性能特征。

具体来说，金属氧化物半导体场效应晶体管作为应用最广泛的晶体管之一，其主要缺点是能耗高。这是因为MOSFET不能在降低电源电压的同时限制关态漏电流。

相比之下，TFET可以通过使用量子力学隧穿来克服这个缺陷。其中，在环境温度下，三五族异质结的TFET(IIIV TFET)只需要小于60 mV的栅压摆幅，就可以使漏电流发生数量级的变化。需要注意的是，虽然TFET的功耗较低，但其在较高驱动电压下的速度和能效却无法达到MOSFET的水平。

因此，研究人员致力于将场效应晶体管和三伏TFET结合起来，从而创造出一种兼有两种场效应晶体管优点的器件。

研究人员分享了这种硅基混合器件的具体设计思想：TFET在较低的电压水平下提供较低的泄漏和良好的性能；在相同的尺寸和偏置(在较高的电压水平下)下，场效应晶体管更快，提供更好的电流驱动。

最后，研究小组开发了一种混合硅基器件。基于该设备，用户可以实现混合逻辑块，以适应不同类型设备的不同特性。

由于它可以在不同的驱动电压下达到更好的功耗水平，因此这种新器件可以用于开发节能电子产品。研究小组成员之一Clarissa Convertino表示：“这个低功耗技术平台为未来的节能电子产品铺平了道路，最终目标是减少信息通信行业的碳足迹。”

根据初步评估结果，该器件可以使TFET达到42mv dec-1的最小亚阈值斜率，MOSFET达到62mv dec-1的最小亚阈值斜率。

克拉丽莎科万蒂诺(Clarissa Convertino)告诉外国媒体Tech Xplore:“我们展示了第一个MOSFET和III-V TFET混合技术平台，该平台具有可扩展的工艺，适用于大规模半导体生产。”

这种新型混合硅基器件如何灵活适应不同的工作条件？根据Tech Xplore的说法，研究人员为该设备引入了一个“自对准源替换步骤”。

在这个技术平台上，GaAsSb源的位置通过数字刻蚀来确定。数字蚀刻是在纳米尺度上去除材料的过程。

此外，除了单一掩模和外延步骤之外，用于开发新器件的两个场效应晶体管器件是相同的。

克拉丽莎科万蒂诺(Clarissa Convertino)表示，研究团队还将探索其他工作条件下的超低功耗设备的开发。“在我们的下一项研究中，我们将进一步探索开发平台的潜力及其在不同工作条件下的应用，如低温甚至毫开尔文。”她说。

追求更高的性能和更低的功耗是半导体器件设计过程中永恒的追求。但是随着摩尔定律的发展，晶体管尺寸逐渐接近物理极限。

在这种背景下，通过创新材料、创新架构等方式创造性能优异的器件成为全球半导体行业的努力方向之一。

本研究创新性地将两种不同的场效应管器件结合起来，研制出一种适应不同电压条件的低功耗混合器件。虽然尚待市场检验，但这项技术是一次成功的尝试。