超越矽晶　III-V族材料可望生成MOSFET

最高性能的金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體(MOSFET)將不再由矽晶制成。根據(jù)近日在美國夏威夷檀香山舉行的2014 VLSI技術(shù)研討會上的研究人員們表示，未來，這種 MOSFET 將改采三五(III-V)族材料在矽基板上生長而成。

在一場由Semiconductor Research Corporation(SRC)所舉行的產(chǎn)品展示中，美國加州大學(xué)圣塔巴巴拉分校(UCSB)的研究人員們展示他們所宣稱世界上最高性能的 MOSFET ──這種 MOSFET 是由在 (InP)上的砷化銦鎵(InGaAs)所形成；這種磷化銦則可在矽晶上生成。

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「目前的基板采用磷化銦。包括IMEC等其他團(tuán)隊的研究顯示，磷化銦可在矽晶上生長，」UCSB電子與電腦教授Mark Rodwell表示：「的確，在今年的VLSI研討會上，至少會介紹一種矽晶上砷化銦鎵III-V族MOS。因此，雖然我們的元件并不是在Si上生長的，但也一定能實現(xiàn)?！?

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經(jīng)由穿透式電子顯微鏡(TEM)顯示一個2.7奈米通道、復(fù)雜的高K電介質(zhì)，以及研究人員所說的其他先進(jìn)的功能，可使其打造出目前世界上最高性能的MOSFET。

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III-V族 MOSFET 不僅可提供比類似尺寸矽晶電晶體更高的性能，且更低功耗。根據(jù)Rodwell表示，以速度與功耗來看，他們最終將可取代矽晶。

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盡管研究人員當(dāng)未針對開關(guān)速度進(jìn)量測，但他們估計，在 RF /無線應(yīng)用中，III-V族 MOSFET 將比矽晶 RF 執(zhí)行更快30-60%。而且由于電遷移率比砷化銦速度更快2.5-3倍，數(shù)位時脈速度估計比矽晶更高。

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現(xiàn)在，研究人員宣稱的最高性能」是根據(jù)UCSB的III-V族 MOSFET在類似矽晶尺寸與閘寬度所產(chǎn)生以及執(zhí)行與矽晶類似電壓(0.5V)時的上電電流(每微米寬度約0.5mA)與關(guān)斷電流(100nA)。Rodwell表示，III-V MOSFET的未來版本將明顯超越同尺寸的矽晶 FinFET。?

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金屬閘極III-V族MOSFET的詳細(xì)分層架構(gòu)。

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Rodwell團(tuán)隊所使用的方式是以制造僅2.5nm(17個原子)厚的砷化銦半導(dǎo)體通道為基礎(chǔ)。博士候選人Cheng-Ying Huang與另一位教授Arthur Gossard也共同合作進(jìn)行這項研究。

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博士研究生Varista Chobpattana則與教授Susanne Stemmer共同打造先進(jìn)的高k電介質(zhì)──在具有極高電容器密度的氧化鋁與氧化鋯分層上堆疊鎳鋁(NiAl)金屬閘，從而實現(xiàn)高導(dǎo)通電流。

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最后的結(jié)尾工作是由以博士候選人Sanghoon Lee為主導(dǎo)的Rodwell實驗室來進(jìn)行，他們?yōu)?MOSFET 增加了垂直間隔層以阻斷漏電流，藉由均勻分配電場以避免能隙與能隙之間的穿隧發(fā)生。研究人員們表示，這可產(chǎn)生足以媲美先進(jìn)矽晶 MOSFET 的關(guān)斷電流。

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