晶体管，迎来新革命

2024-01-05 02:01

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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自IEEE，谢谢。

最终成为智能手机芯片的硅晶片由单晶组成。但这种晶体有很多面，其中哪一个面位于制造晶体管的表面很重要。根据上个月在 2023 年IEEE 国际电子器件会议(IEDM) 上发布的研究，业界可能不会为即将推出的器件使用最佳晶体取向。通过改变晶体方向，IBM 研究中心的一个团队将正电荷通过晶体管的速度提高了一倍，尽管这是以负电荷稍微减慢为代价的。

晶体可以简化为可无限重复的单元结构。对于硅来说，它是一个立方体，看起来像是里面嵌有一颗钻石。立方体的每个角和每个面的中心都有硅原子，立方体内部还有四个原子。当今的晶体管（主要是FinFET）是在硅上构建的，立方体的顶部就是晶圆的表面。专家称这种晶体取向为“001”。IBM 研究中心的Shogo Mochizuki表示，001 取向的硅晶圆“用于许多先进的逻辑技术，包括IBM 的 2 纳米芯片技术” 。

但Shogo Mochizuki和他的同事表示，随着芯片制造商转向下一代晶体管（纳米片或全栅器件），如果他们使用“110”方向，可能会得到更好的结果。这本质上是垂直穿过立方体的切片。

为什么这会有什么不同呢？它与电荷穿过硅晶格的速度有关。在构成逻辑芯片的 CMOS 电路中，电子和空穴（带正电的电子空位）都必须流动。一般来说，电子是速度最快的品种，因此当芯片制造商设计更小的晶体管时，空穴相对较弱的迁移率是一个限制因素。众所周知，空穴在 110 平面上移动时比在 001 平面上移动得更快。电子的情况正好相反，但影响较小。

今天的 FinFET 已经利用了飞机上更快的旅行速度。尽管它们是使用 001 硅制成的，但晶体管的沟道区域（器件开启时电流流动的部分，或器件关闭时电流被阻挡的部分）是 110 平面中垂直于硅表面的垂直材料鳍片。但在纳米片中，电流必须流过空穴慢化 001 平面中平行于硅表面的结构。

Mochizuki 的团队在 001 和 110 硅片上构建了匹配的纳米片晶体管对。两种类型的晶体管——空穴传导 pFET 和电子传导 nFET——都存在。除了不同的晶体取向之外，晶体管还具有多种不同的特性需要测试：有些具有薄片，有些具有较厚的薄片；有些具有薄片，有些具有较厚的薄片。有些通道很长，有些通道较短。110 pFET 的性能优于 001 pFET，尽管效果的大小有时会根据硅纳米片的厚度而变化。正如预期的那样，nFET 在 110 硅中的工作效果稍差。但研究人员表示，pFET 性能的提升足以弥补这一点。

不要指望业界快速转向 110 硅。“从技术上来说，这是可能的”，比利时Imec的 CMOS 器件技术项目总监Naoto Horiguchi说道。但他表示，硅层和硅锗层在不同晶体方向上的生长方式存在足够的差异，因此“需要仔细的工程设计”。

Mochizuki 表示，IBM 计划找到一种方法来减少替代方向对电子传导的不良影响。此外，该团队还将探索 110 硅在称为互补 FET (CFET)的 3D 堆叠纳米片晶体管中的应用。这种器件架构通常将 nFET 堆叠在 pFET 之上，以减小逻辑电路的尺寸。此类堆叠器件预计将在 10 年内推出，所有三个高级逻辑芯片制造商上个月都在 IEDM 上报告了 CFET 原型。Mochizuki 表示，IBM 团队可能会尝试用 110 硅制造 pFET 部件，用 001 硅制造 nFET 部件。

原文链接

https://spectrum.ieee.org/silicon-crystal

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