高迁移率沟道集成电路

1.III-V互补金属-氧化物-半导体

与硅半导体材料相比，锗硅 （SiGe）、锗（Ge）和III-V族化合物半导体材料具有更高的迁移率，可作为 CMOS 场效应晶体管的沟道材料，以使硅基CMOS 的微缩规则继续延伸。这些材料在集成工艺上仍面临如下挑战。

（1）锗和III-V族化合物具有比硅更高的介电常数和较小的带隙，若用于平面 CMOS 沟道材料，会有较大短沟道效应 （Short Channel Effeet， SCE）和泄漏电流;但对于 FinFET 结构的 CMOS，则可以提供更好的静电控制沟道能力，并减少泄漏电流。目前，锗、锗硅和铟镓锑（InGaSb）都具有高空穴迁移率，有望用于p型沟道材料。铟镓砷（InGaAs）是n型沟道材料的首选，但在优化接触电阻、减少关态电流、提高可靠性和改进硅集成工艺上，仍存在诸多困难。

（2）为了避免使 CMOS 集成工艺复杂化，采用单一沟道材料的系统会更有利于形成良好性能的n型和p型MOS 场效应晶体管。铝镓锑 （AIGaSb）/铟镓锑（InGaSb）结构是一个很好的选择，因为其能带排列可使电子和空穴趋向高迁移率。

（3）非硅材料的集成工艺：大的晶格失配（如锗晶格失配约为 4%，铟镓砷In0.53Ga0.47As晶格失配约为 8%） 会在半导体层中产生大量的晶格缺陷。

2.隧道场效应晶体管

隧道场效应晶体管 （Tunneling FET， TFET） 比传统的 CMOS 场效应晶体管具有更优异的开关特性，更适用于超低功耗的电路。TEFT 器件的操作机制是基于电子在能带间隧道穿透 （Band To Band Tunneling，BTBT） 的特性；这种带间隧道穿透电流又称为栅致漏极泄漏 （Gate Induced Drain Leakage，GIDL） 电流。最简单的器件结构是一个反向偏压的栅极控制的 p-i-n 二极管（Gated Pin Diode），利用栅极上的电压可以关闭或打开-TFET器件。TFET 的关态电流通常此传统的MOSPET 的关态电流要低数个数量级。

T FET 的亚阈值斜率（SS）可以比传统 MOSFET 的亚阈值斜率极限值（60mV/ decade）更小。在传统 MOSPET 电路的工艺设计上，需要通过降低栅致漏极泄漏 （GIDL）电流来减少关态电流;但在TFET 的电路中，源极却要增强 GIDL 带间隧道穿透电流以增强器件的工作电流。

因此，TFET 器件可以选择具有较小带隙的半导体材料，如铟镓砷（InGaAs）或镓砷锑（GaAsSb），以产生较高的 BTBT 电流。异质结构的 TFETs（如源极用低带隙材料，漏极用高带隙材料），还可以利用能带工程设计（如断裂间隙和交错间隙结构的能带排列等）进一步优化器件特性。逻辑电路需要采用互补式的 TFET 技术，n-TFET 的设计已经比较明确；但 p-TFET 的设计则较难，其原因是受到 Fermi 简并的影响，限制了 p-TFET 达到更低的亚阈区斜率（60mV/decade）。

简言之，窄带隙材料可以实现应用在 IoT 上的超低功耗电路的低亚阈区斜率器件（如TFET）。除此之外，III-V族材料和2D半导体材料（如WSe2 和MoS2）也可能应用在TFET上。

3. 二维材料沟道 （2D-Material Channel）

由于 2004 年以来石墨烯的开拓性研究，使得二维（2D）材料受到极大关注。但石墨烯具有零带隙特性，并不适合作为 MOSFET 的沟道材料。最近，单层或多层的二硫化钼（MoS2）或二硒化钨（WSe2）己被证明具有足够大的带隙、合理的迁移率、超薄沟道（器件具有缩小能力）和可弯曲性（适用于柔软性电子），可作为 MOSFET 的沟道材料。

虽然这些 2D材料的迁移率仅达到中等数值，但用作 MOSFET 的沟道材料可实现特殊的功能：由于单层原子2D材料非常薄，有利于用作超薄的沟道层（超越了传统的硅MOSFET 的极限）；由于这些2D材料是可弯曲的，适用于有柔软性要求的电子器件，可拓展新的应用领域。

与大多数2D材料相比，传统的柔软性电子器件材料（如有机和非晶质半导体、金属氧化物等）的迁移率要低很多。但是，将2D材料应用于柔软性电子器件仍面临许多挑战。

采用2D材料的晶体管具有超薄（最终能达到原子层级厚度，小于 1nm）和可弯曲的特点，且具有比传统半导体更低的介电常数，利用这些特性可有效抑制短沟道效应，从而实现极短的沟道。

此外，2D材料具有较大的电子等效质量，可以抑制源漏间的直接隧道穿透电流。虽然较低的介电常数会产生较小的栅极电容（单位面积），降低导通电流和跨导，但从2D材料具有的诸多优点综合来看，2D材料 CMOS 有望最终超越传统的硅基器件而实现更小的尺寸极限。

审核编辑 ：李倩