關(guān)于太赫茲開關(guān)速度晶體管的研究分析

半導體技術(shù)的最新進展推動了開關(guān)速度大于 1 太赫茲或每秒 1 萬億周期的晶體管的概念更接近現(xiàn)實。晶體管本質(zhì)上是半導體結(jié)構(gòu)的開關(guān)，可以控制電流或電壓——這取決于所使用的材料和設計。在最低級別，一個端子上的信號控制是否允許電流流過“開關(guān)”，以及電流的多少，這取決于受制造中使用的半導體類型影響的固定數(shù)學關(guān)系。一些實驗室標本已經(jīng)達到 1 太赫茲以上，但還沒有準備好進行商業(yè)生產(chǎn)。2001 年，英特爾宣布他們已經(jīng)制造了幾個太赫茲晶體管，盡管今天他們的產(chǎn)品中沒有一個可用。該技術(shù)對通信、配電、家庭太陽能裝置、計算、監(jiān)控以及許多其他研究和消費應用具有重要意義。高速開關(guān)器件甚至可能意味著摩爾定律的延續(xù)，這是一項臭名昭著的觀察，即集成電路上的晶體管數(shù)量每 18 到 24 個月就會翻一番。最重要的是，太赫茲速度晶體管因其提高速度和降低功耗的能力而備受青睞。

太赫茲晶體管的最大障礙之一是需要高 κ 材料以制造合適的柵極氧化物。κ 值代表介電常數(shù)，它與晶體管端子上的電容成正比。本質(zhì)上，由于柵極氧化層是由絕緣材料制成的，它可以在任一側(cè)保持電荷并防止它流過——就像平行板電容器一樣。這種結(jié)構(gòu)對于 MOSFET 晶體管的運行至關(guān)重要，如下圖 1 所示。

MOS 電容器（由維基媒體用戶 CyrilB 提供）

高κ電介質(zhì)是必要的，以增加足以阻止泄漏的電容。隨著晶體管尺寸縮小以容納更強大的集成電路，柵極厚度也同樣減小以允許更大的電流量。柵極厚度與柵極電容成反比，但較小的柵極允許更多的漏電流通過。漏電流是不恰當?shù)亓鬟^柵絕緣體的電流，當柵層很薄時更容易發(fā)生漏電流。這會像漏水的水龍頭浪費水一樣浪費能量，并產(chǎn)生可能影響晶體管行為的不良結(jié)果。當器件關(guān)閉時，薄柵極還允許少量電流流動，從而改變工作特性并浪費更多功率。

英特爾的工藝涉及使用一種增加電容的材料，從而增加電流，而不會因泄漏而損失盡可能多的功率。雖然簡單地通過在爐中氧化現(xiàn)有的硅層很容易生長二氧化硅，但其他技術(shù)引入了更多的困難?？赡艿牟牧习ü杷徙x、硅酸鋯和二氧化鋯。這些問題在于，將這些不同的材料與傳統(tǒng)的聚硅酸鹽門相結(jié)合會在材料相遇的地方引入缺陷，由于稱為聲子散射的效應而減慢載流子的速度。最近的公告表明，英特爾在 2007 年發(fā)布的 45 納米門處理器中除了金屬門之外，還使用了基于鉿的絕緣體。

其他問題包括涉及器件源/漏電阻的考慮。隨著晶體管性能的提高，最重要的考慮是減小器件尺寸。不幸的是，器件電阻的本質(zhì)是較小的面積基本上會聚集載流子，這意味著較小的源極和漏極將大大增加流經(jīng)器件的載流子的電阻。在某些情況下，不同的硅摻雜密度可能有助于緩解這個問題，盡管規(guī)模不夠大。源極和漏極通道的另一個問題是它們還充當電容器。結(jié)上產(chǎn)生的電容增加了器件循環(huán)所需的時間，使晶體管變慢而不是變快。本質(zhì)上，每次晶體管需要切換時，

用于商業(yè)上可行的太赫茲設備的鉿門的一種有前途的替代品是基于石墨烯的晶體管。石墨烯是一種碳基分子，已在包括半導體電子在內(nèi)的多個領域顯示出應用前景。2010 年，加州大學洛杉磯分校的一個小組展示了由石墨烯納米線構(gòu)建的晶體管，其速度已達到 300 GHz，通道長度為 140 nm。溝道長度描述了器件中柵極和源極之間的距離，上述電容跨越該距離。據(jù)加州大學洛杉磯分校團隊的段向峰介紹，獲得 50 nm 或以下的通道長度將使他們能夠?qū)崿F(xiàn)太赫茲石墨烯晶體管。這樣做的好處是石墨烯是一種廉價且豐富的材料，相對容易使用和批量生產(chǎn)。與需要昂貴的外延工藝來生產(chǎn)的昂貴異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，這一點尤其如此。下面顯示了幾種類型的碳納米線結(jié)構(gòu)的圖片。

碳納米管線結(jié)構(gòu)（維基媒體用戶 Simetrical 提供）

任何太赫茲晶體管技術(shù)的目標都是減少柵極延遲并增加驅(qū)動電流。柵極延遲是將電流從源極轉(zhuǎn)移到漏極所需的時間，而驅(qū)動電流是指器件處于飽和模式時流過器件的電流量。除了高 κ 電介質(zhì)外，實現(xiàn)這些條件所需的目標還包括低工作電壓和具有升高的源極和漏極的耗盡型襯底晶體管結(jié)構(gòu)。低工作電壓降低了設備的整體功率需求，使其能夠更高效地運行。這意味著即使存在與小尺寸晶體管相關(guān)的泄漏電流，也將通過封裝可用的功率量最小化。耗盡的襯底晶體管減少了襯底中可用的載流子數(shù)量，減少源極和漏極之間的溝道泄漏。制造具有升高的漏極和源極的器件將降低器件兩端的電阻，從而降低整體功耗——這是最重要的目標之一。下面的圖 3 是典型 MOSFET 晶體管的圖片。標有“S”和“D”的黑色區(qū)域分別是源極和漏極。如果黑色區(qū)域上升到淺棕色絕緣層之上并變得比它厚，那將是一個用凸起的源極和漏極制造的器件的粗略圖景。下面的圖 3 是典型 MOSFET 晶體管的圖片。標有“S”和“D”的黑色區(qū)域分別是源極和漏極。如果黑色區(qū)域上升到淺棕色絕緣層之上并變得比它厚，那將是一個用凸起的源極和漏極制造的器件的粗略圖景。下面的圖 3 是典型 MOSFET 晶體管的圖片。標有“S”和“D”的黑色區(qū)域分別是源極和漏極。如果黑色區(qū)域上升到淺棕色絕緣層之上并變得比它厚，那將是一個用凸起的源極和漏極制造的器件的粗略圖景。

典型的 MOSFET（維基媒體用戶 BotMultichill 提供）

當高速晶體管最終可行時，它們將改變許多行業(yè)。由于逆變器和其他電力電子設備可以使用低成本、高速和低功耗的晶體管，將太陽能裝置產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為家庭消費，從而減少熱損失，因此家庭太陽能裝置將能夠變得負擔得起。通信應用將能夠?qū)嵤┨掌澗w管來構(gòu)建高速網(wǎng)絡設備，從而提高本地和無線傳輸信息的速率。英特爾酷睿 i7 代已經(jīng)存在了近四年，因為家用計算處理器一直停滯不前，因為晶體管在較小尺寸時損耗太大，無法制造出合格的集成電路。

編輯：hfy