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超越矽晶 III-V族材料可望生成MOSFET

上網時間: 2014年06月17日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:金屬閘極  III-V族  材料    MOSFET 

最高性能的金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)將不再由矽晶製成。根據近日在美國夏威夷檀香山舉行的2014 VLSI技術研討會上的研究人員們表示,未來,這種 MOSFET 將改採三五(III-V)族材料在矽基板上生長而成。

在一場由Semiconductor Research Corporation(SRC)所舉行的產品展示中,美國加州大學聖塔巴巴拉分校(UCSB)的研究人員們展示他們所宣稱世界上最高性能的 MOSFET ──這種 MOSFET 是由在 (InP)上的砷化銦鎵(InGaAs)所形成;這種磷化銦則可在矽晶上生成。

「目前的基板採用磷化銦。包括IMEC等其他團隊的研究顯示,磷化銦可在矽晶上生長,」UCSB電子與電腦教授Mark Rodwell表示:「的確,在今年的VLSI研討會上,至少會介紹一種矽晶上砷化銦鎵III-V族MOS。因此,雖然我們的元件並不是在Si上生長的,但也一定能實現。」


經由穿透式電子顯微鏡(TEM)顯示一個2.7奈米通道、複雜的高K電介質,以及研究人員所說的其他先進的功能,可使其打造出目前世界上最高性能的MOSFET。
(來源:UCSB)

III-V族 MOSFET 不僅可提供比類似尺寸矽晶電晶體更高的性能,且更低功耗。根據Rodwell表示,以速度與功耗來看,他們最終將可取代矽晶。

儘管研究人員當未針對開關速度進量測,但他們估計,在 RF /無線應用中,III-V族 MOSFET 將比矽晶 RF 執行更快30-60%。而且由於電遷移率比砷化銦速度更快2.5-3倍,數位時脈速度估計比矽晶更高。

現在,研究人員宣稱的最高性能」是根據UCSB的III-V族 MOSFET在類似矽晶尺寸與閘寬度所產生以及執行與矽晶類似電壓(0.5V)時的上電電流(每微米寬度約0.5mA)與關斷電流(100nA)。Rodwell表示,III-V MOSFET的未來版本將明顯超越同尺寸的矽晶 FinFET。

金屬閘極III-V族MOSFET的詳細分層架構
金屬閘極III-V族MOSFET的詳細分層架構。
(來源:UCSB)

Rodwell團隊所使用的方式是以製造僅2.5nm(17個原子)厚的砷化銦半導體通道為基礎。博士候選人Cheng-Ying Huang與另一位教授Arthur Gossard也共同合作進行這項研究。

博士研究生Varista Chobpattana則與教授Susanne Stemmer共同打造先進的高k電介質──在具有極高電容器密度的氧化鋁與氧化鋯分層上堆疊鎳鋁(NiAl)金屬閘,從而實現高導通電流。

最後的結尾工作是由以博士候選人Sanghoon Lee為主導的Rodwell實驗室來進行,他們為 MOSFET 增加了垂直間隔層以阻斷漏電流,藉由均勻分配電場以避免能隙與能隙之間的穿隧發生。研究人員們表示,這可產生足以媲美先進矽晶 MOSFET 的關斷電流。

編譯:Susan Hong

(參考原文:World's Highest-Performance MOSFET Is III-V,by R. Colin Johnson)





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