探索基于新材料和新技术的晶体管

现代社会依赖于芯片，而芯片是由数以亿计的晶体管构成。iPhone 14 Pro 上搭载的A16 Bionic 芯片就由160亿个晶体管组成。每一次滑动屏幕，每一个表情包，每一帧视频，都由千千万万个晶体管完成。除了手机和电脑，现代生活中几乎所有方面都依赖晶体管，从冰箱，空调，汽车，到飞机和卫星。

晶体管自1947年被发明以来，科学家们一直在探索基于新材料和新技术的晶体管。这个多学科交叉的领域吸引着来自微电子，材料，物理和化学等多学科背景的研究者。

然而，不同领域研究人员之间还缺乏一致的报道和评估研究结果的规范。此外，很多晶体管的性能参数都相互关联，这使得形成统一的报道和评估更具挑战。

如此一来，就容易出现报道研究结果不完整，评估结果不全面等现象，甚至还会导致对新材料和新技术的评估出现偏差。

鉴于此，由美国，欧洲和中国的大学，国家实验室，和工业界的学者，近期联合在Nature Electronics上发表了如何报道和评估新型晶体管的论文。

文中，作者们列出了一些关键参数的清单，以及参数评估清单，作者们还提供了报道和比较的例子。

以下给出文中的几个例子，例子中的晶体管是基于二硫化钼（MoS2）。

关电流与开电流（IoffvsIon）

不同研究中的晶体管沟道长度不一样，而且栅极所用的绝缘体的材料和厚度也不一致，这就意味着不同驱动晶体管工作的电压范围不一致。为简易起见，作者推荐，在VDS= 1 V 时，画出IminvsImax，右边还可以配合图中斜线来表示Imax/Iminratio。同时标出Imax取自一定的载流子浓度ns，例如1013cm-2。由于Imin一般取自晶体管的亚阈值状态，此时载流子浓度ns应该等于0，因此不予列出。

有了此图，人们就可以准确地比较某些论文中所提到的非常高的Imax/Iminratio可能只是因为有比较大的沟道长度，或者相比于栅极绝缘体的厚度而言，沟道很长。

真正创新的结果是用相同的沟道材料和厚度，用相同的栅极绝缘体材料和厚度，在相对较短的沟道长度里，实现比较高的Imax/Iminratio

IonvsLch

晶体管获得比较高的开电流Ion才能使最终的芯片运行的速度变快。有一些论文会强调自己的器件获得很高或者破纪录的Ion。不过，有可能这种高的Ion是因为比较短的沟道长度，或是比较高的VDS或载流子浓度。因此，有必要在相同VDS和载流子浓度条件下，画出IonvsLch。从这个图可以看出沟道长度对Ion的影响，实现比较公平的对比和评估。

注意，很多论文中漏电流用IDS来表示，这样是不正确的。因为，电流的定义是电荷经过一点的速率，因此应该用ID来表示。常用的半导体物理教材里，如S.M. Sze或Ben Streetman所编著的，也很难看到“IDS”的这种用法。而电压的定义是两点之间的电势差，所以源漏之间的电压是VDS。

亚阈值摆幅（Subthreshold Swing，SS，单位mV/dec）

小的亚阈值摆幅可以降低晶体管的工作电压，因而减小芯片的耗电量。有一些论文会强调所报道的晶体管有破纪录的亚阈值摆幅,尤其是在一些负电容相关器件的研究中。可是，有可能这个破纪录的亚阈值摆幅发生在非常小的电流上（例如10-5uA/um），这样对于降低晶体管的工作电压的作用并不大。因此，有必要画出”全过程”漏级电流的的SS，即SS vsID。如此，我们就可以一目了然地看到重要的漏级电流区间上的SS，例如在10-2到100uA/um区间。

Rcvsn

作者们还着重强调了接触电阻的报道和评估。用Transfer Length Method来得出接触电阻时，需要保证有超过4个晶体管，而且至少有一个晶体管中接触电阻大于沟道电阻。例如下图中TLM A用的所有晶体管都是沟道电阻远大于接触电阻，这样得出的接触电阻容易产生很大的误差，有的甚至得出接触电阻接近于0的结论，因此作者推荐用TLM B。

作者们还推荐用右图中的4-probe测量来佐证TLM中得出的sheet resistance

最后需要画出TLM得出的接触电阻与载流子浓度的关系图，如下图

展示统计分布

最后，作者们还呼吁，应该报道关键参数的统计分布，而不只是强调最好的一个或者几个器件的性能，如下图，在一定VDS和载流子浓度条件下，作者们展示了不同沟道长度的晶体管的漏电流分布:

作者们表示，遵循一致的准则来报道和评估科学研究结果，将会有利于该领域更好的进展，推动对前沿晶体管器件的研究，创新和应用。

审核编辑：刘清