納米級隧道效應器件

2020-12-17 電子產品世界

集成電路問世以來，IC技術一直沿著電路和器件特徵尺寸按比例縮小的辦法大踏步前進，特徵尺寸越小，電路和器件的性能越好。正由於此，上世紀末，Intel公司將集成度和性能都達到空前高水平的奔騰4晶片和PC送到用戶手上。目前MOSFET的溝道長度已趨近0.1mm(＝100nm），按比例縮小的辦法還能繼續下去嗎？答案是否定的。早在20年以前，著名的「半導體器件物理」一書的作者Ｓ.Ｍ.Ｓze就預計，傳統MOSFET的溝道長度應大於約70nm。IBM研究中心的D.J.F.rank盼望能作出溝道長度達20-30nm的MOSFET，但是溝道再短就很困難了。也就是說20-30nm可能就是器件特徵尺寸的物理極限。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/3041.htm

為了減小器件特徵尺寸，從而達到整體提升器件性能的目的，人們希望找到其它的方法來避開上述困難。在設法抑制短溝道效應的實驗中發現，當特徵尺寸逼近物理極限時，基於量子隧道效應的隧道效應器件比傳統MOSFET好。換言之，雙電子層隧道電晶體和共振隧道二極體等隧道效應器件比MOSFET更適合於納米電子學。

這是由美國Sandia國家實驗室Ｊ.Simmons等人首先研究的隧道效應器件。它由一個絕緣勢壘和兩個二維量子阱組成，絕緣勢壘位於兩個量子阱之間。為使器件正常工作，量子阱和勢壘厚度都很小，分別為15nm和12.5nm。由於勢阱厚度很小，勢阱可看成是二維的，電子運動被限制在阱平面內。Sandia的研究者們把Deltt和MOSFET作類比，稱上量子阱接觸(Top quantum well contact)為源(電極）。下量阱接觸(Bottom quantum well contact)為漏(電極）。器件工作時，由於量子力學隧道效應，電子從上量子阱(Top quantum well)隧道穿過勢壘層到達下量子阱(Bottom quantum well)。

Deltt的結構如圖１所示。和MOSFET相比，上量子阱相當於源區，下量子阱相當於漏區，勢壘區(Barrier)相當於溝道，上控制柵(Top control gate)相當於MOSFET的柵極；和上控制柵相對應，還有背控制柵(Back control gate），這個柵通常不是必備的(optional）。從圖１可以看到，源漏電極都是平面型的。為了保證源電極只和上量子阱接觸，漏電極只和下量子阱接觸，Deltt還有背耗盡柵(Back depletion gate)和上耗盡柵(Top detletion gate）。

由量子力學理論可知：量子阱中的電子能級由阱的尺寸和勢壘高度決定，當阱的尺寸很小時，電子能級間隔很大；當由勢壘隔開的兩個量子阱中的電子能級相同(對準）時，產生電子由一個阱到另一個阱的量子隧穿效應，因為在量子隧穿過程中，電子要遵守能量守恆和動量守恆原理。一般來講，在未加外電壓（包括源－漏電壓和柵壓）時，兩個量子阱中沒有相同的電子能級，因而沒有源——漏電流，器件是截止的。加上外電壓時，勢阱中電子能級會發生位移，電壓增大位移增大，當兩個勢阱中的電子能級對準時(共振），隧道效應發生，器件導通。

Deltt的工作有類似MOSFET的一面：在某個源——漏電壓下，可由柵壓開關器件。但也有顯著不同的另一面：當柵壓再上升，超過共振點時，電子隧穿過程中止，器件關閉。也就是說，Deltt微分電阻可正可負，在器件從導通態到截止態的工作區微分電阻為正，從導通態到截止態的工作區，微分電阻為負。

微分電阻可正可負的器件的主要優點是，可用較少數量的器件完成相當的功能。如用兩個Deltt串聯可組成CMOS電路中需要n型和p型兩種MOSFET的靜態隨機存儲器單元。

雙電子層電晶體用InP或GaAs等半導體平面工藝製造，例如用分子束外延(MBE)技術或金屬有機化合物汽相澱積(MOCVD）技術生長厚度合適的窄禁帶半導體薄層製得量子阱區，在其上再生長寬禁帶半導體層得到勢壘層。由於MOCVD和MBE技術生長的薄層厚度可控制在幾個納米以內，量子阱和勢壘的厚度都可控制在幾個納米內。Deltt的勢壘厚度相當於MOSFET的「溝道」長度，電子渡越這種「溝道」靠的是比漂移運動快得多的量子隧道運動，因而Deltt的速度性能應比MOSFET好。而Deltt事實上不存在MOSFET那樣的溝道，所以不會出現短溝道效應。

限制Deltt速度性能進一步提高的是它的RC時間常數。很薄的勢壘其電阻Ｒ可以做得很小，但兩個量子阱靠得很近，電容Ｃ很大。為了改進速度性能j.Ｓimmons領導的研究小組在下量子阱後又增加了第三個量子阱。第三阱非常厚，電子隧穿過第一個勢壘從上量子阱到下量子阱後，繼續隧穿過第二個勢壘到第三阱，在第三阱中被較大的電勢梯度加速。增加了第三個量子阱，不但改善了Deltt的速度性能，而且使Deltt的工作電壓從豪安量級提高到伏量級，使其能與現有電子器件和電路相匹配。

現在Deltt的工作溫度較低(０℃），人們努力的目標是室溫工作。製作Deltt的材料是Ⅲ－Ｖ族化合物半導體，最合適的是InAlAs/InGaAs材料系。

共振隧道二極體是由勢壘和量子阱組成的二端器件，所用材料大都為Ⅲ－Ｖ化合物半導體異質結材料。麻省理工學院Ｒ.Ｈ.Ｍathews等人設計的RTD如圖２所示，量子阱為窄禁帶半導體InGaAs，勢壘為寬禁帶半導體AlAs。由於量子阱尺寸只有幾納米，量子阱中電子能級間隔很大，一般RTD的工作只和一個電子能級有關。圖中用細線畫出了被勢壘層AlAs隔開的左右兩個InGaAs勢阱中的電子能級。從上至下的三個分圖分別表示：隨著源——漏電壓Ｖsd的增加，左邊勢阱中的能級逐漸升高，由低於右邊勢阱中的能級(上圖）到等於右邊勢阱中的能級(中圖），到高於右邊勢阱中的能級(下圖）。源——漏電流isd也隨著Ｖsd的升高發生變化，先是增大，當左、右勢阱中能級對準(共振）時，Isd達到最大。通過共振點後，由於兩個勢阱中電子能級再次偏離，隧穿機率減少，Isd下降，所以和Deltt類似，RTD的微分電阻也可正可負，利用這一特性，可用兩個背靠背連接的RTD和一個電晶體構成靜態RAM單元，既節省晶片面積，又降低功耗。

RTD的高速性能是很突出的，比當前最快的高電子遷移率電晶體(HEMT）還快，其振蕩頻率已做到700GHZ。人們利用RTD和HEMT組成RTD/HEMT電路，這種電路和HEMT相比，完成同樣的功能，元件數和晶片面積都下降了。例如RTD/HEMT比較器電路和HEMT比較器電路相比，元件數減少5/6，晶片面積減少3/4。

至今，和Beltt一樣，大多數RTD是用Ⅲ－Ｖ族化合物半導體，如GaAs和InP工藝製造的,主要用於軍事、國防領域，但也有人研發了類似的矽基共振隧道二極體——矽共振帶間隧道二極體（RITD）。將矽RITD和CMOS電晶體技術相結合,可改進電路速度性能和減少電路管腳數。例如RITD/CMOS數字轉換器電路和CMOS數字轉換器電路相比，尺寸減少2/3，速度提高一倍,功耗大大降低(動態功耗降低到1/5.8，靜態功耗降低到1/2.3）。

致力開發和研究與CMOS電路相容的RTD製造工藝的Seabaugh認為，在逼近IC技術物理極限的今天，只在CMOS電路製造工藝基礎上增加一塊掩膜的矽基RTD工藝，給CMOS電路的設計提供了新的柔性和活力。■

參改文獻

1 S.M.Sze.physics of Semiconductor devices. Nd,Newyork Wiley1981

2 L.Geppert.guantum tuanwistors: toward nanoelectronics. IEEE Spectrum.Vol.37(2000).NO.9:46～49

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