時間:2018-10-22 13:58:31來源: 悅智網(wǎng), 作者 Alan Seabaugh
我們所處的這個由永遠(yuǎn)在線的個人電腦、平板電腦和智能手機(jī)構(gòu)成的世界的誕生,要歸功于一個了不起的趨勢:金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的不斷微型化。MOSFET是大多數(shù)集成電路的基礎(chǔ)構(gòu)件,在過去的半個世紀(jì)內(nèi),其體積已經(jīng)縮小到了原來的千分之一,從20世紀(jì)60年代的數(shù)十微米到如今僅數(shù)十納米。隨著一代代MOSFET變得越來越小,基于MOSFET的芯片與以前相比運(yùn)行得更快,也更加省電。
這個趨勢帶來了工業(yè)史上持續(xù)時間最長、也是最偉大的一系列勝利,使我們獲得了前幾代人所無法想象的器件、容量和便利。但是這一穩(wěn)定的進(jìn)步受到了威脅,而問題的核心就在于量子力學(xué)。
電子有一個讓人傷腦筋的能力,即可以穿透能壘——這一現(xiàn)象被稱為量子隧穿。隨著芯片制造商在一個芯片上安裝越來越多的晶體管,晶體管變得越來越小,于是不同晶體管區(qū)域之間的距離就被壓縮了。因此,曾經(jīng)厚度足以阻擋電流的電子屏障現(xiàn)在卻變得非常薄,使得電子能夠從中快速通過。
芯片制造商已經(jīng)不再削薄構(gòu)成晶體管的一個重要部分——柵氧化層。該層通過電子將控制晶體管導(dǎo)通和關(guān)斷的柵極與導(dǎo)電溝道隔開。通過將該氧化層削薄,就可以將更多的電荷導(dǎo)入溝道,加快電流流動,使晶體管運(yùn)行速度更快。但是,氧化層厚度不能比1納米小太多,這也是我們今天大概所能達(dá)到的程度。如果超出這個限度,當(dāng)晶體管處于“關(guān)斷”狀態(tài)時,會有過多的電荷在溝道內(nèi)流動,而此時理想的狀態(tài)是沒有任何電荷在流動。這只是若干泄漏點之一。
很長一段時間以來,要確定在哪一年尺寸縮減才能到頭一直是件難事。業(yè)界的路線圖現(xiàn)在預(yù)測MOSFET的微型化將持續(xù)到2026年,屆時柵極長度將僅為5.9納米——大約是現(xiàn)在長度的四分之一。這一時間表假定我們能夠找到更好的材料來堵住泄漏。但是,即便能夠找到這個材料,如果希望繼續(xù)像我們所習(xí)慣的那樣提升性能,則還需要盡快找到MOSFET的替代品。
我們無法阻止電子隧穿過這個薄薄的屏障,但是,我們可以使這一現(xiàn)象為我們所用。在最近的幾年中,一種較新的晶體管設(shè)計——隧穿場效應(yīng)晶體管(TFET)——加速發(fā)展。與通過提高或降低能壘來控制電流流動的MOSFET的工作原理不同,TFET的能壘保持高位。該裝置通過改變能壘一側(cè)的電子在另一側(cè)出現(xiàn)的可能性來控制導(dǎo)通和關(guān)斷。
這個工作原理與傳統(tǒng)晶體管的工作方式有很大的差別。然而,這也許正是在MOSFET停止發(fā)展之時我們所需要大力發(fā)展的。它為開發(fā)更快、更密集和更加節(jié)能的電路來將摩爾定律拓展至下一個十年鋪平了道路。
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這不是晶體管第一次改變形態(tài)。最初,基于半導(dǎo)體的計算機(jī)使用的是由雙極晶體管制造的電路。但就在硅制的MOSFET于1960年問世的幾年之后,工程師們意識到他們可以制造出兩個互補(bǔ)的開關(guān),這樣它們可以共同組成互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路。該電路與雙極晶體管邏輯不同,只在導(dǎo)通時消耗能量。自從第一個基于CMOS的集成電路在上世紀(jì)70年代早期出現(xiàn)后,MOSFET就開始占據(jù)市場的主導(dǎo)地位。
從許多方面來看,MOSFET都與雙極晶體管沒有太大不同。二者都通過提高或降低能壘來控制電流流動——有點像提高或降低河上的水閘。在這個情況下,“河水”即由兩種載流子構(gòu)成:電子和空穴,后者是一個帶正電荷的實體,本質(zhì)上是材料中一個原子的外層能殼上缺少一個電子。
對這些載流子來說,存在兩個可被允許的能量范圍,或者稱能帶。擁有足夠能量可以在材料中自由流動的電子位于導(dǎo)帶。空穴則在低能帶(稱為“價帶”)流動,從一個原子流向另一個原子,很大程度上就像,由于附近的汽車不斷開進(jìn)開出,一個空停車場可能變成一個停滿車的停車場。
這些能帶都是固定的,但我們可以改變與之相關(guān)的能量,通過添加雜質(zhì)或者摻雜原子的方式使能量變高或者變低,從而改變半導(dǎo)體的傳導(dǎo)性。摻雜了額外電子的n型半導(dǎo)體傳導(dǎo)帶負(fù)電荷的電子;通過摻雜造成電子減少的p型半導(dǎo)體傳導(dǎo)帶正電荷的空穴。
如果我們將這兩種半導(dǎo)體類型結(jié)合到一起,就會得到一個錯位的能帶,從而創(chuàng)造了一個介于兩者之間的能壘。為制造一個MOSFET,我們在兩個互補(bǔ)類型之間注入一種材料,采用n-p-n或者p-n-p的構(gòu)形。這就在晶體管中間創(chuàng)造出了3個區(qū)域:源極(電荷由此進(jìn)入組件)、溝道和漏極(電荷出口)。
每個晶體管的兩個p-n結(jié)提供了電荷流動的電子能壘,而晶體管可以通過向溝道上方的柵極施加電壓來導(dǎo)通。向n溝道的MOSFET施加一個正電壓可使得溝道吸引更多的電子,因為它減少了電子向溝道移動所需的能量。向p溝道的MOSFET施加一個負(fù)電壓可以對空穴產(chǎn)生相同的效果。
這個簡單的降低能壘的方式是半導(dǎo)體電子中應(yīng)用得最為廣泛的電流控制機(jī)制。二極管、激光、雙極晶體管、晶閘管和大部分場效應(yīng)晶體管都利用了這種方式。但是這種方式有一個物理局限:晶體管需要一定量的電壓才可以被導(dǎo)通或者關(guān)斷。這是因為電子和空穴由于熱能的緣故一直處于運(yùn)動中,而它們中能量最強(qiáng)的部分會溢出能壘。在室溫下,如果能壘減少60毫伏,流經(jīng)能壘的電流就會增加10倍;每個“十進(jìn)位”的電流變化需要60毫伏的變化。
所有這些電流泄漏都發(fā)生在低于器件的閥值電壓時。閥值電壓是導(dǎo)通晶體管所需的電壓。器件物理學(xué)家將這一能壘降低區(qū)域稱為亞閥值區(qū)域,而每十進(jìn)位60毫伏的電壓被認(rèn)為是最小亞閥值擺幅。為保持低水平能耗,應(yīng)盡可能降低亞閥值擺幅。這樣器件導(dǎo)通所需的電壓就會減少,而當(dāng)關(guān)斷時泄漏的電流就會減少。
亞閥值擺幅在過去不算是個大問題,當(dāng)時芯片運(yùn)行需要的電壓較高。但是現(xiàn)在,亞閥值擺幅開始對我們降低能耗的努力造成干擾。這部分是由于電路設(shè)計者希望確保他們的邏輯組件在定義“0”和定義“1”的電流之間有明顯區(qū)別。晶體管通常的設(shè)計是它們處于導(dǎo)通狀態(tài)時所載的電流是處于關(guān)斷狀態(tài)時所泄漏的電流的1萬倍。這就意味著要導(dǎo)通一個晶體管,需要至少向它施加240毫伏的電壓,即4個十進(jìn)位的電流,因為每十進(jìn)位需要60毫伏電壓。
在實踐中,CMOS電路使用的工作電壓通常要高得多,接近1伏。這是因為CMOS中最基礎(chǔ)的邏輯電路,即逆變器,采用的是兩個串聯(lián)晶體管。NAND柵極需要3個串聯(lián)晶體管,這就意味著其需要比逆變器更高的電壓。如果要進(jìn)行調(diào)整以應(yīng)對過程的可變性——意味著需要設(shè)置更寬的電壓裕度以應(yīng)對器件與器件的差異——于是就需要如今所看到的接近1伏的電壓以確保運(yùn)行。
這些對電壓的需求,加上泄漏的問題,意味著MOSFET微型化正日漸式微,沒有出路。如果我們想要進(jìn)一步降低電壓以減少能量消耗,有兩個選擇(這兩個選擇都沒有什么吸引力):我們可以降低通過器件的電流,這會降低啟動速度,從而犧牲了性能;或者,可以保持電流的高水平,同時在關(guān)斷的時候允許更多電流向器件外泄漏。
這就是可以利用TFET之處。與在MOSFET中提高或降低源極和漏極之間的物理能壘不同,在TFET中我們采用柵極來控制能壘的實際電厚度,從而控制電子通過能壘的可能性。
這個做法的奧妙還是在于p-n結(jié)——但進(jìn)行了一些扭轉(zhuǎn)。在一個TFET中,半導(dǎo)體材料被安置在p-i-n和n-i-p的構(gòu)形中。其中“i”代表“固有”,意味著溝道擁有和空穴一樣多的電子。固有狀態(tài)與一個半導(dǎo)體所擁有的最大電阻率相對應(yīng)。它同時提高與溝道內(nèi)的能帶相關(guān)的能量,形成一個源極內(nèi)的電荷載子不太可能穿過的厚能壘。
電子和空穴都遵守量子力學(xué)定律,這意味著它們的大小是模糊不定的。當(dāng)能壘的厚度不到10納米時,一開始在能壘一側(cè)的電子就不太可能(但并非完全不可能)出現(xiàn)在另一側(cè)。
在TFET中,我們通過在晶體管柵極上施加電壓的方式來提高這種可能性。這使得源極內(nèi)的導(dǎo)帶和溝道內(nèi)的價帶重疊,開啟了一個隧穿窗口。要注意的是,在一個TFET中,電子在移動至溝道時在導(dǎo)帶和價帶之間隧穿。這與MOSFET中發(fā)生的情況形成鮮明對比。在一個MOSFET中,電子或者空穴主要是在一個帶或者另一個帶中穿行,一路從源極穿過溝道,最后到達(dá)漏極。
由于隧穿機(jī)制不是由能壘上的載流子流動所控制的,啟動TFET所要求的電壓擺幅可以比MOSFET小很多。只需施加足夠制造或移動一個使導(dǎo)帶和價帶交叉或不交叉的重疊的電壓足矣。(見插圖“關(guān)斷和導(dǎo)通”。)
作為一個器件機(jī)制,隧穿并不是一個新概念。我們所使用的優(yōu)盤內(nèi)的閃存處理器、手機(jī)和其他裝置都采用了隧穿技術(shù)來將氧化阻擋層上的電子注入電荷捕獲區(qū)域。比如,在TFET中使用的隧穿結(jié)也廣泛地用于連接多結(jié)太陽能電池和觸發(fā)基于半導(dǎo)體的量子串級激光器。隧穿還控制著電流流過金屬半導(dǎo)體觸點(這是每個半導(dǎo)體設(shè)備的關(guān)鍵部分)的方式。
p-n隧穿結(jié)的研究也經(jīng)歷了一段時間。這一概念首先是由諾貝爾獎得主江崎玲于奈在1957年論證并解釋的。但是,要讓業(yè)界認(rèn)真思考如何將隧穿應(yīng)用于邏輯,卻遇到了一個基本障礙。
直到十多年前才出現(xiàn)首篇關(guān)于TFET的論文。當(dāng)時芯片制造商開始發(fā)現(xiàn)計算機(jī)的時鐘頻率失速,同時要應(yīng)對更加密集、漏電更多的芯片的散熱問題。
喬治?阿彭策勒(JoergAppenzeller)和他IBM的同事們率先論證了低于MOSFET的每十進(jìn)位60毫伏限制的電流擺幅是可能的。2004年,他們報告說已經(jīng)制造出來一個隧穿晶體管,它的溝道由碳納米管制成。其亞閥值擺幅僅為每十進(jìn)位40毫伏。在幾年的時間內(nèi),來自加州大學(xué)伯克利分校、法國微電子研發(fā)機(jī)構(gòu)CEA-LETI、比利時校際微電子中心和斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)體也紛紛效仿。他們的研究表明,使用芯片工業(yè)最主要的半導(dǎo)體材料硅和鍺,即可制造出每十進(jìn)位消耗量小于60毫伏的開關(guān)。
這一成果使業(yè)界非常興奮,因為雖然TFET的電流控制機(jī)制對于半導(dǎo)體行業(yè)來說是一個新概念,但是這個裝置與MOSFET非常相似。它們有相同的基本配置(源極、漏極和柵極),當(dāng)連上電路時會產(chǎn)生相似的電學(xué)特性。半導(dǎo)體設(shè)計的基礎(chǔ)架構(gòu)無須改變。
但還是要進(jìn)行一些改變。研究結(jié)果顯示,硅和鍺對于隧穿來說并不是非常合適。正是出于同樣的原因,這些材料無法用于制造出好的光發(fā)射器和激光器。硅和鍺帶有間接能隙,這就意味著為了從一個能帶轉(zhuǎn)移到另一個能帶,電子還必須從組成該物質(zhì)的晶格的震蕩中吸收一些額外能量。這一額外的障礙顯著降低了電荷載子進(jìn)行跨越的可能性。于是,硅和鍺制成的TFET的電荷運(yùn)載能力跟今天的晶體管相比是微不足道的。
這對業(yè)界采用這一技術(shù)來說是一個巨大阻礙。不過,將從元素周期表第三行和第五行挑選出來的元素進(jìn)行混合,可制造出一系列隧穿可能性高得多的直接能隙材料。這些材料尚未應(yīng)用于邏輯芯片的大規(guī)模生產(chǎn)中,但將它們?nèi)诤线M(jìn)傳統(tǒng)的MOSFET中的工作已經(jīng)在加快進(jìn)行。在可預(yù)見的未來將它們應(yīng)用于邏輯芯片中的想法,現(xiàn)在看來已經(jīng)不像之前那樣顯得過于牽強(qiáng)。
對由III-V族元素制成的TFET的研究近些年也進(jìn)展飛快。蘇曼?達(dá)塔(SumanDatta)和他在賓夕法尼亞州立大學(xué)的同事在2009年率先對由這些元素制造的TFET進(jìn)行了論證。他們采用銦、鎵和砷的混合物來制造TFET溝道,并隨即創(chuàng)造了一項紀(jì)錄:“導(dǎo)通”的電流高達(dá)最好的鍺制TFET的50倍。
之后,賓州州立大學(xué)的團(tuán)隊和我位于印第安納州南本徳圣母大學(xué)的團(tuán)隊都研制出了產(chǎn)生更高電流的TFET,其原材料是兩種化合物的混合體:銻化鋁鎵和砷化銦。前一種物質(zhì)的能帶可以通過調(diào)整鋁和鎵的比例來上移或下移。這使得我們可以創(chuàng)造出能在兩個能帶之間自然重疊的隧穿結(jié),意味著導(dǎo)通所需的電壓就可以減少。由于能壘可以非常薄——大約就一個單獨原子的寬度——更多的電流就可以通過。我們研制的這個器件只需0.5伏的電壓就可以良好地運(yùn)行,能夠承載將近200微安的電流通過1毫米寬的溝道,效果可與最先進(jìn)的MOSFET媲美。
需要注意的是,這些“異質(zhì)結(jié)”TFET的亞閥值擺幅目前都無法擊敗MOSFET的每十進(jìn)位60毫伏的限制。許多研究團(tuán)隊努力應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。問題的主要癥結(jié)是半導(dǎo)體和柵氧化層之間接口的電子缺失——許多缺失是由于不固定的化學(xué)鍵造成的。這些缺失會捕獲電荷或使電荷無法移動,使得能用于傳導(dǎo)的電荷變少。這就意味著我們必須向柵極施加更高的電壓,以促進(jìn)溝道內(nèi)的電荷載子的活動。
盡管有這個問題,我們還是有理由樂觀。位于俄勒岡州希爾斯伯勒的英特爾團(tuán)隊和位于日本札幌的北海道大學(xué)的研究團(tuán)隊已經(jīng)對亞閥值擺幅小于每十進(jìn)位60毫伏的III-V族元素的TFET進(jìn)行了論證。英特爾團(tuán)隊的模擬顯示,在不對材料進(jìn)行重大改變的情況下進(jìn)一步降低亞閥值擺幅是可能的,只須按比例縮小他們已經(jīng)研制出的晶體管即可。原則上,器件的亞閥值擺幅為每十進(jìn)位20毫伏左右是可能的;極限狀態(tài)將根據(jù)晶體的熱振動來設(shè)定。熱振動使得導(dǎo)帶和價帶的邊緣不那么鋒利。
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正如50年以前難以預(yù)測MOSFET的極限能力一樣,現(xiàn)在要精確預(yù)測TFET最終會達(dá)到怎樣的水平也非常困難。
一個不確定因素是一個TFET在通電時能夠承載的最大電流是多少。導(dǎo)通的電流才是決定電路最大速度的最終因素。很長一段時間以來,研究人員一直認(rèn)為速度不會很快。但是,在2010年,IBM的西嶼?庫瓦塔(SiyuKoswatta)通過模擬顯示,僅施加0.4伏的電壓,銻化鎵和砷化銦就有可能在每1毫米寬的溝道內(nèi)承載1.9微安的電流。若可以制造出該器件,則它就可以與MOSFET在高性能應(yīng)用中進(jìn)行直接競爭?!秶H半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖(ITRS)》提出的目標(biāo)是在0.73伏的電壓下每1毫米寬的溝道內(nèi)承載1.685微安的電流。
我們還需要解決在關(guān)斷狀態(tài)下TFET的電流泄漏問題。隨著溝道變得越來越短,電子將更加容易直接從源極隧穿到漏極。
器件最終極限的確定取決于若干因素,例如電子結(jié)構(gòu)、缺失,以及性能要求。幸運(yùn)的是,普渡大學(xué)和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)出的計算工具現(xiàn)在已經(jīng)可以讓研究人員模擬出整個器件,包括每一個原子和能帶,以預(yù)測器件的特性。這對指導(dǎo)試驗非常有幫助。
雖然TFET的電子特征看上去前景非常光明,但在開始采用這些晶體管制造芯片之前還必須解決一些實際問題。研究人員一直將主要注意力放在開發(fā)n溝道的TFET上,而p溝道的TFET,以及可以將這兩種晶體管類型結(jié)合起來制造電路的互補(bǔ)加工技術(shù)則一直停留在制圖版上。
此外,芯片制造商們還必須找出解決變異性問題的方法。隨著MOSFET體積的縮小,摻雜物的添加和集中,以及界面的粗糙都會導(dǎo)致電子特性的顯著變異。當(dāng)TFET推出時,其體積很可能比MOSFET還要小。它也不可避免地會遇到這個問題。而對于MOSFET,我們必須想出其他并行方式,例如冗余和糾錯,以解決這個問題。
盡管如此,我還是對將來取得更加令人滿意的成果的前景持樂觀態(tài)度。從開發(fā)第一個硅制MOSFET到第一個CMOS微處理器的誕生只間隔了10年。到TFET的跨越也許是個更大的挑戰(zhàn),但是憑借著我們對半導(dǎo)體研究了半個多世紀(jì)積累下來的經(jīng)驗,這一跨越的實現(xiàn)也許會比我們認(rèn)為的更快一點。
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