"超越 MOSFET "的晶體管是否真的存在？

近日，美國加州大學圣塔芭芭，美國IBM研究實驗室，法國格勒諾布爾大學，中國臺灣臺機公司，日本東京大學，韓國三星先進技術研究院和美國英特爾公司的研究人員在《Nature》雜志發表了一篇題為“The future transistors”的論文。 ?

研究內容

金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）是互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal–Oxide–Semiconductor,CMOS）技術的核心元件，是工業革命以來最重要的發明之一。在集成電路產品對更高的速度、能效和集成密度要求的推動下，過去六十年來，MOSFET的物理柵極長度已縮小到20納米以下。然而，即使是最先進的鰭式場效應晶體管，在保持低功耗的同時縮小晶體管尺寸也越來越具有挑戰性。本文對現有和未來的CMOS技術進行了全面評估，并根據為場效應晶體管縮放而建立的分層框架，討論了設計柵極長度低于10納米的場效應晶體管所面臨的挑戰和機遇。本文的評估重點是根據以往擴展工作中獲得的知識，確定最有前途的10納米以下柵極長度MOSFET，以及使晶體管適用于未來邏輯集成電路產品所需的研究工作。此外還詳細介紹了對未來超越MOSFET晶體管和潛在創新機會的展望。預計晶體管技術的創新將繼續在推動未來材料、器件物理和拓撲、異構縱向和橫向集成以及計算技術方面發揮核心作用。

展望

超越MOSFET 的未來 “跨-電阻”

MOSFET受其工作機制的限制，因此功耗和能效無法與器件尺寸同步增長。CMOS界一直在尋找 "超越 MOSFET "的晶體管，以打破這一能效瓶頸。在這種情況下，回顧一下晶體管的基本方面--"trans"（源于 "傳輸 "或調制）和 "resistor"（源于溝道電阻）--是很有啟發性的。因此，"晶體管 "捕捉到的是操縱信息狀態或載體的方法，也就是 "電阻"。對于商業化的 MOSFET 和 BJT，"跨 "分別是通過靜態柵電容和 p-n 結勢壘調制的電場效應實現的，而 "阻 "則是通過這兩種器件在勢壘上的熱釋電形式實現的。為了在這兩個方面中的一個（或兩個）方面進行創新，人們做出了許多努力。

負電容 (NC)、懸浮柵 (SG)?和莫特相變材料門控 (Mott-G)場效應晶體管（圖 6）等各種 "反式 "方法已被提出并進行了實驗探索。NC FETs利用鐵電材料的負電容狀態來構建負Cgox，目的是克服柵極效率的統一上限。SG和 Mott-G FETs 在柵極堆棧中分別引入了納米機電開關和絕緣體-金屬相變存儲單元，并利用其非平衡態開關瞬態來實現 Cgox的突然增加（相對于柵極電壓），從而轉化為電荷密度和漏極電流的突然增加，即超小型 SS。值得一提的是，NEM 開關和相變存儲單元的存儲特性不可避免地會在傳輸特性中產生存儲效應，即滯后，這就限制了 SG 和 Mott-G FETs 在存儲方面的應用。相比之下，"電阻 "已在許多超越熱釋電的形式和機制中得以實現。

在肖特基勢壘和真空場效應晶體管中，電荷載流子分別通過金屬源和半導體或真空溝道之間的肖特基勢壘隧穿。莫特場效應晶體管采用與源極串聯的相變存儲單元，以實現 "電阻器 "電阻的突變，從而在存儲狀態切換時改變漏極電流，這也在I-V曲線中引入了滯后。超晶格場效應晶體管在源區采用多量子阱，形成一個人造共振隧穿帶，該帶足夠窄，可過濾高能量（相對于費米級）載流子的熱離子發射。狄拉克源 FETs利用向石墨烯源狄拉克點遞減的DOS來減少高能載流子注入。這種器件可實現的最小SS值仍大于30 mV dec-1，原因很簡單，因為石墨烯是無間隙的，也就是說，雖然狄拉克點附近的 DOS 值較低，但仍允許高能載流子泄漏。隧穿場效應晶體管（TFET）、利用源的帶隙過濾高能載流子的熱離子發射。

然而，低帶對帶隧穿概率限制了其導通電流。雙極增強型TFET（BE-TFET）已被提出，通過利用BJT的大電流增益放大漏極電流來緩解這一問題。要證明這一器件概念，還需要實驗論證。之前的一項研究在TFET上采用了鐵電柵極（預計將起到NC的作用），結果發現TFET的性能得到了增強。至于這種增強是由于 NC 效應還是僅僅由于鐵電材料的高 k 值，還需要進一步研究。從本質上講，超晶格場效應晶體管、狄拉克源場效應晶體管和TFET具有類似的 "電阻 "形式，因為它們都是基于源中的DOS工程來實現費米級附近的局部載流子注入。沖擊電離MOSFET（i-MOS）在沖擊電離過程中利用電子-空穴對的超指數生成（相對于柵極電壓）來實現漏極電流的超指數增長。

然而，激活撞擊電離過程需要較大的Vd，因此無助于降低電源電壓。在反饋型場效應晶體管中，有意在n型源極和p型漏極附近分別引入電子和空穴電位勢壘，以形成電子-空穴再分布和勢壘調制之間的正反饋回路，從而動態加快電子-空穴注入速率。該器件還需要較大的Vd值來激活反饋回路。與上述基于電荷載流子的場效應晶體管相比，自旋場效應晶體管采用自旋作為信息載流子，并以磁阻的形式實現 "電阻"。值得注意的是，這里的自旋場效應晶體管指的是Rashba型，在這種晶體管中，自旋方向在從源極向漏極傳輸的過程中由一個小的柵極電場操縱。遺憾的是，在實驗中很難控制自旋方向，這使得自旋場效應晶體管至今未能得到實驗證明。在雙層偽自旋（BiS）場效應晶體管中，據預測，電子-空穴對（玻色子）在分隔電子-空穴雙層的絕緣體中的凝聚可顯著降低層間電阻，從而實現電導的突然增加。不過，要驗證雙玻色場效應晶體管的器件概念，還需要進行實驗論證。與SG FET相比，NEM繼電器在溝道/漏極交界處采用了NEM開關，以實現溝道和漏極之間的物理接觸和分離。

這種機械開關存在嚴重的滯后可靠性問題，尤其是對超大規模器件而言。如圖6所示，LP器件設計人員仍有很大的黑暗空間需要探索。值得注意的是，要實現這些未來晶體管，明智地選擇材料平臺將起到至關重要的作用。例如，二維材料的原始表面可用于開發超深斜率TFETs，而傳統的塊狀材料很難實現這一點。自2007-2008年提出NC FET的概念以來，由于其便于制造的結構（補圖2a的下半部分），NC FET迅速崛起，成為一個引人注目的概念，它基本上是一個MOSFET，在氧化物和柵極之間插入了一個額外的NC（通常是鐵電材料，FE）層。在FE存儲器應用中，FE的雙穩態被用來存儲二進制信息，與此相比，NC FET被認為是利用FE層的瞬態，即NC，對外部電場提供負極化響應，從而更好地（<1）實現MOSFET的統一柵極效率（等式 (1)）。如補充圖2c所示，迄今為止，已有許多聲稱具有低SS的 "NC FET"，其直流I-V曲線測量滯后相對較小。

然而，根據數控場效應晶體管的基本器件物理原理，由于現代場效應晶體管的量子電容普遍較大，且靜電性能極佳，因此最近發現?數控場效應晶體管無滯后、低于60 SS的設計空間非常小。換句話說，這些測得的小SS值無法用靜態NC解釋來解釋。事實上，越來越多的研究表明，它們可歸因于測量過程中的瞬態效應和/或 FE 極化動態。最近的一項研究?發現，在FE層和柵極氧化層之間存在超高的陷阱密度（1014 cm-2）。因此，捕獲和去捕獲動態（不可控）可能是報告中 "NC FETs "陡坡的另一種解釋。此外，電子器件中的高陷阱密度通常伴隨著可靠性問題。因此，在CMOS產品中應用NC之前，需要開展大量的研究工作來解決這些問題，并深入了解FE與氧化物之間的相互作用。

超越摩爾的集成途徑

在CMOS技術發展史上，大部分努力都是為了縮小MOSFET的特征尺寸，優化邏輯芯片的平面面積利用率，包括遵循摩爾定律的 "2.5D "芯片封裝技術。有一天，我們不難發現，由于制造難度和成本以及功率密度的限制，MOSFET物理尺寸的縮小和器件集成密度的平面內增加已經停止。在這方面，邏輯芯片的垂直物理空間尚未得到充分利用。雖然FinFET以及NW和 NS FET可被視為這種努力的一種類型，但它們只有利于改善器件電流和靜電，而無助于將器件集成密度提高到一定程度以上。在垂直空間堆疊器件（通常以互補方式）或裸片的三維集成被認為是提高器件密度的實用方法。三維集成電路除了具有密度擴展的優勢外，還能顯著降低互連延遲和功率耗散。三維集成可通過不同途徑實現，包括基于線鍵合和/或倒裝芯片的三維封裝、基于硅通孔（TSV）的三維裸片/晶圓堆疊以及單片三維集成（m-3D）。

在這三種方法中，m-3D是最理想的方法，因為它具有較大的層密度和較高的局部連接設計可能性。雖然m-3D存在熱預算和散熱問題，但在克服這些挑戰方面已取得了進展，例如采用固相外延再生長技術在600 °C以下激活摻雜劑、利用功率傳輸網絡冷卻3D集成電路以及采用高熱傳導六方氮化硼層間介質。三維集成是一種包容性技術。最終，它可以發展為異構三維集成的形式，在這種形式中，不同材料（如2DS和硅）、器件和功能的非常不同的系統可以沿垂直和橫向集成在一起，從而構建一個超強、高能效的片上系統和異構芯片系統或芯片組（圖 7）。盡管如此，器件和電路架構，如最近展示的0.5T0.5R混合電阻式隨機存取存儲器?，不僅可以實現 "內存 "計算等計算模式，而且專門設計用于同時提供更高的橫向和縱向堆疊密度，仍然是三維集成電路設計革命性進步的重中之重。

超越馮-諾依曼計算

信息技術從未停止過發展。除了為通用高性能計算而設計的經典計算機外，神經形態計算和量子計算也在積極發展之中，有望在某些領域（如化學反應模擬、人工智能和機器學習）帶來前所未有的優勢。如圖 7 所示，所有這些領域的共同要求是晶體管具有超高的緊湊性和超低的漏電率，以及高電流驅動能力、堅固性和能效，晶體管可以是核心元件，也可以是輔助元件或接口元件。鑒于這些理想特性，我們有理由認為，晶體管的擴展和演進永遠不會停滯，摩爾定律將在可預見的未來長期存在。