关于太赫兹开关速度晶体管的研究分析

半导体技术的最新进展推动了开关速度大于 1 太赫兹或每秒 1 万亿周期的晶体管的概念更接近现实。晶体管本质上是半导体结构的开关，可以控制电流或电压——这取决于所使用的材料和设计。在最低级别，一个端子上的信号控制是否允许电流流过“开关”，以及电流的多少，这取决于受制造中使用的半导体类型影响的固定数学关系。一些实验室标本已经达到 1 太赫兹以上，但还没有准备好进行商业生产。2001 年，英特尔宣布他们已经制造了几个太赫兹晶体管，尽管今天他们的产品中没有一个可用。该技术对通信、配电、家庭太阳能装置、计算、监控以及许多其他研究和消费应用具有重要意义。高速开关器件甚至可能意味着摩尔定律的延续，这是一项臭名昭著的观察，即集成电路上的晶体管数量每 18 到 24 个月就会翻一番。最重要的是，太赫兹速度晶体管因其提高速度和降低功耗的能力而备受青睐。

太赫兹晶体管的最大障碍之一是需要高 κ 材料以制造合适的栅极氧化物。κ 值代表介电常数，它与晶体管端子上的电容成正比。本质上，由于栅极氧化层是由绝缘材料制成的，它可以在任一侧保持电荷并防止它流过——就像平行板电容器一样。这种结构对于 MOSFET 晶体管的运行至关重要，如下图 1 所示。

MOS 电容器（由维基媒体用户 CyrilB 提供）

高κ电介质是必要的，以增加足以阻止泄漏的电容。随着晶体管尺寸缩小以容纳更强大的集成电路，栅极厚度也同样减小以允许更大的电流量。栅极厚度与栅极电容成反比，但较小的栅极允许更多的漏电流通过。漏电流是不恰当地流过栅绝缘体的电流，当栅层很薄时更容易发生漏电流。这会像漏水的水龙头浪费水一样浪费能量，并产生可能影响晶体管行为的不良结果。当器件关闭时，薄栅极还允许少量电流流动，从而改变工作特性并浪费更多功率。

英特尔的工艺涉及使用一种增加电容的材料，从而增加电流，而不会因泄漏而损失尽可能多的功率。虽然简单地通过在炉中氧化现有的硅层很容易生长二氧化硅，但其他技术引入了更多的困难。可能的材料包括硅酸铪、硅酸锆和二氧化锆。这些问题在于，将这些不同的材料与传统的聚硅酸盐门相结合会在材料相遇的地方引入缺陷，由于称为声子散射的效应而减慢载流子的速度。最近的公告表明，英特尔在 2007 年发布的 45 纳米门处理器中除了金属门之外，还使用了基于铪的绝缘体。

其他问题包括涉及器件源/漏电阻的考虑。随着晶体管性能的提高，最重要的考虑是减小器件尺寸。不幸的是，器件电阻的本质是较小的面积基本上会聚集载流子，这意味着较小的源极和漏极将大大增加流经器件的载流子的电阻。在某些情况下，不同的硅掺杂密度可能有助于缓解这个问题，尽管规模不够大。源极和漏极通道的另一个问题是它们还充当电容器。结上产生的电容增加了器件循环所需的时间，使晶体管变慢而不是变快。本质上，每次晶体管需要切换时，

用于商业上可行的太赫兹设备的铪门的一种有前途的替代品是基于石墨烯的晶体管。石墨烯是一种碳基分子，已在包括半导体电子在内的多个领域显示出应用前景。2010 年，加州大学洛杉矶分校的一个小组展示了由石墨烯纳米线构建的晶体管，其速度已达到 300 GHz，通道长度为 140 nm。沟道长度描述了器件中栅极和源极之间的距离，上述电容跨越该距离。据加州大学洛杉矶分校团队的段向峰介绍，获得 50 nm 或以下的通道长度将使他们能够实现太赫兹石墨烯晶体管。这样做的好处是石墨烯是一种廉价且丰富的材料，相对容易使用和批量生产。与需要昂贵的外延工艺来生产的昂贵异质结构相比，这一点尤其如此。下面显示了几种类型的碳纳米线结构的图片。

碳纳米管线结构（维基媒体用户 Simetrical 提供）

任何太赫兹晶体管技术的目标都是减少栅极延迟并增加驱动电流。栅极延迟是将电流从源极转移到漏极所需的时间，而驱动电流是指器件处于饱和模式时流过器件的电流量。除了高 κ 电介质外，实现这些条件所需的目标还包括低工作电压和具有升高的源极和漏极的耗尽型衬底晶体管结构。低工作电压降低了设备的整体功率需求，使其能够更高效地运行。这意味着即使存在与小尺寸晶体管相关的泄漏电流，也将通过封装可用的功率量最小化。耗尽的衬底晶体管减少了衬底中可用的载流子数量，减少源极和漏极之间的沟道泄漏。制造具有升高的漏极和源极的器件将降低器件两端的电阻，从而降低整体功耗——这是最重要的目标之一。下面的图 3 是典型 MOSFET 晶体管的图片。标有“S”和“D”的黑色区域分别是源极和漏极。如果黑色区域上升到浅棕色绝缘层之上并变得比它厚，那将是一个用凸起的源极和漏极制造的器件的粗略图景。下面的图 3 是典型 MOSFET 晶体管的图片。标有“S”和“D”的黑色区域分别是源极和漏极。如果黑色区域上升到浅棕色绝缘层之上并变得比它厚，那将是一个用凸起的源极和漏极制造的器件的粗略图景。下面的图 3 是典型 MOSFET 晶体管的图片。标有“S”和“D”的黑色区域分别是源极和漏极。如果黑色区域上升到浅棕色绝缘层之上并变得比它厚，那将是一个用凸起的源极和漏极制造的器件的粗略图景。

典型的 MOSFET（维基媒体用户 BotMultichill 提供）

当高速晶体管最终可行时，它们将改变许多行业。由于逆变器和其他电力电子设备可以使用低成本、高速和低功耗的晶体管，将太阳能装置产生的能量转换为家庭消费，从而减少热损失，因此家庭太阳能装置将能够变得负担得起。通信应用将能够实施太赫兹晶体管来构建高速网络设备，从而提高本地和无线传输信息的速率。英特尔酷睿 i7 代已经存在了近四年，因为家用计算处理器一直停滞不前，因为晶体管在较小尺寸时损耗太大，无法制造出合格的集成电路。

编辑：hfy