隧穿場效應(yīng)晶體管（TFET）的工作原理分析

我們所處的這個(gè)由永遠(yuǎn)在線的個(gè)人電腦、平板電腦和智能手機(jī)構(gòu)成的世界的誕生，要?dú)w功于一個(gè)了不起的趨勢：金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的不斷微型化。MOSFET是大多數(shù)集成電路的基礎(chǔ)構(gòu)件，在過去的半個(gè)世紀(jì)內(nèi)，其體積已經(jīng)縮小到了原來的千分之一，從20世紀(jì)60年代的數(shù)十微米到如今僅數(shù)十納米。隨著一代代MOSFET變得越來越小，基于MOSFET的芯片與以前相比運(yùn)行得更快，也更加省電。

這個(gè)趨勢帶來了工業(yè)史上持續(xù)時(shí)間最長、也是最偉大的一系列勝利，使我們獲得了前幾代人所無法想象的器件、容量和便利。但是這一穩(wěn)定的進(jìn)步受到了威脅，而問題的核心就在于量子力學(xué)。

電子有一個(gè)讓人傷腦筋的能力，即可以穿透能壘——這一現(xiàn)象被稱為量子隧穿。隨著芯片制造商在一個(gè)芯片上安裝越來越多的晶體管，晶體管變得越來越小，于是不同晶體管區(qū)域之間的距離就被壓縮了。因此，曾經(jīng)厚度足以阻擋電流的電子屏障現(xiàn)在卻變得非常薄，使得電子能夠從中快速通過。

芯片制造商已經(jīng)不再削薄構(gòu)成晶體管的一個(gè)重要部分——柵氧化層。該層通過電子將控制晶體管導(dǎo)通和關(guān)斷的柵極與導(dǎo)電溝道隔開。通過將該氧化層削薄，就可以將更多的電荷導(dǎo)入溝道，加快電流流動(dòng)，使晶體管運(yùn)行速度更快。但是，氧化層厚度不能比1納米小太多，這也是我們今天大概所能達(dá)到的程度。如果超出這個(gè)限度，當(dāng)晶體管處于“關(guān)斷”狀態(tài)時(shí)，會(huì)有過多的電荷在溝道內(nèi)流動(dòng)，而此時(shí)理想的狀態(tài)是沒有任何電荷在流動(dòng)。這只是若干泄漏點(diǎn)之一。

很長一段時(shí)間以來，要確定在哪一年尺寸縮減才能到頭一直是件難事。業(yè)界的路線圖現(xiàn)在預(yù)測MOSFET的微型化將持續(xù)到2026年，屆時(shí)柵極長度將僅為5.9納米——大約是現(xiàn)在長度的四分之一。這一時(shí)間表假定我們能夠找到更好的材料來堵住泄漏。但是，即便能夠找到這個(gè)材料，如果希望繼續(xù)像我們所習(xí)慣的那樣提升性能，則還需要盡快找到MOSFET的替代品。

我們無法阻止電子隧穿過這個(gè)薄薄的屏障，但是，我們可以使這一現(xiàn)象為我們所用。在最近的幾年中，一種較新的晶體管設(shè)計(jì)——隧穿場效應(yīng)晶體管（TFET）——加速發(fā)展。與通過提高或降低能壘來控制電流流動(dòng)的MOSFET的工作原理不同，TFET的能壘保持高位。該裝置通過改變能壘一側(cè)的電子在另一側(cè)出現(xiàn)的可能性來控制導(dǎo)通和關(guān)斷。

這個(gè)工作原理與傳統(tǒng)晶體管的工作方式有很大的差別。然而，這也許正是在MOSFET停止發(fā)展之時(shí)我們所需要大力發(fā)展的。它為開發(fā)更快、更密集和更加節(jié)能的電路來將摩爾定律拓展至下一個(gè)十年鋪平了道路。

這不是晶體管第一次改變形態(tài)。最初，基于半導(dǎo)體的計(jì)算機(jī)使用的是由雙極晶體管制造的電路。但就在硅制的MOSFET于1960年問世的幾年之后，工程師們意識(shí)到他們可以制造出兩個(gè)互補(bǔ)的開關(guān)，這樣它們可以共同組成互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）電路。該電路與雙極晶體管邏輯不同，只在導(dǎo)通時(shí)消耗能量。自從第一個(gè)基于CMOS的集成電路在上世紀(jì)70年代早期出現(xiàn)后，MOSFET就開始占據(jù)市場的主導(dǎo)地位。

從許多方面來看，MOSFET都與雙極晶體管沒有太大不同。二者都通過提高或降低能壘來控制電流流動(dòng)——有點(diǎn)像提高或降低河上的水閘。在這個(gè)情況下，“河水”即由兩種載流子構(gòu)成：電子和空穴，后者是一個(gè)帶正電荷的實(shí)體，本質(zhì)上是材料中一個(gè)原子的外層能殼上缺少一個(gè)電子。

對這些載流子來說，存在兩個(gè)可被允許的能量范圍，或者稱能帶。擁有足夠能量可以在材料中自由流動(dòng)的電子位于導(dǎo)帶?？昭▌t在低能帶（稱為“價(jià)帶”）流動(dòng)，從一個(gè)原子流向另一個(gè)原子，很大程度上就像，由于附近的汽車不斷開進(jìn)開出，一個(gè)空停車場可能變成一個(gè)停滿車的停車場。

這些能帶都是固定的，但我們可以改變與之相關(guān)的能量，通過添加雜質(zhì)或者摻雜原子的方式使能量變高或者變低，從而改變半導(dǎo)體的傳導(dǎo)性。摻雜了額外電子的n型半導(dǎo)體傳導(dǎo)帶負(fù)電荷的電子；通過摻雜造成電子減少的p型半導(dǎo)體傳導(dǎo)帶正電荷的空穴。

如果我們將這兩種半導(dǎo)體類型結(jié)合到一起，就會(huì)得到一個(gè)錯(cuò)位的能帶，從而創(chuàng)造了一個(gè)介于兩者之間的能壘。為制造一個(gè)MOSFET，我們在兩個(gè)互補(bǔ)類型之間注入一種材料，采用n-p-n或者p-n-p的構(gòu)形。這就在晶體管中間創(chuàng)造出了3個(gè)區(qū)域：源極（電荷由此進(jìn)入組件）、溝道和漏極（電荷出口）。

每個(gè)晶體管的兩個(gè)p-n結(jié)提供了電荷流動(dòng)的電子能壘，而晶體管可以通過向溝道上方的柵極施加電壓來導(dǎo)通。向n溝道的MOSFET施加一個(gè)正電壓可使得溝道吸引更多的電子，因?yàn)樗鼫p少了電子向溝道移動(dòng)所需的能量。向p溝道的MOSFET施加一個(gè)負(fù)電壓可以對空穴產(chǎn)生相同的效果。

這個(gè)簡單的降低能壘的方式是半導(dǎo)體電子中應(yīng)用得最為廣泛的電流控制機(jī)制。二極管、激光、雙極晶體管、晶閘管和大部分場效應(yīng)晶體管都利用了這種方式。但是這種方式有一個(gè)物理局限：晶體管需要一定量的電壓才可以被導(dǎo)通或者關(guān)斷。這是因?yàn)殡娮雍涂昭ㄓ捎跓崮艿木壒室恢碧幱谶\(yùn)動(dòng)中，而它們中能量最強(qiáng)的部分會(huì)溢出能壘。在室溫下，如果能壘減少60毫伏，流經(jīng)能壘的電流就會(huì)增加10倍；每個(gè)“十進(jìn)位”的電流變化需要60毫伏的變化。

所有這些電流泄漏都發(fā)生在低于器件的閥值電壓時(shí)。閥值電壓是導(dǎo)通晶體管所需的電壓。器件物理學(xué)家將這一能壘降低區(qū)域稱為亞閥值區(qū)域，而每十進(jìn)位60毫伏的電壓被認(rèn)為是最小亞閥值擺幅。為保持低水平能耗，應(yīng)盡可能降低亞閥值擺幅。這樣器件導(dǎo)通所需的電壓就會(huì)減少，而當(dāng)關(guān)斷時(shí)泄漏的電流就會(huì)減少。

亞閥值擺幅在過去不算是個(gè)大問題，當(dāng)時(shí)芯片運(yùn)行需要的電壓較高。但是現(xiàn)在，亞閥值擺幅開始對我們降低能耗的努力造成干擾。這部分是由于電路設(shè)計(jì)者希望確保他們的邏輯組件在定義“0”和定義“1”的電流之間有明顯區(qū)別。晶體管通常的設(shè)計(jì)是它們處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)所載的電流是處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)所泄漏的電流的1萬倍。這就意味著要導(dǎo)通一個(gè)晶體管，需要至少向它施加240毫伏的電壓，即4個(gè)十進(jìn)位的電流，因?yàn)槊渴M(jìn)位需要60毫伏電壓。

在實(shí)踐中，CMOS電路使用的工作電壓通常要高得多，接近1伏。這是因?yàn)镃MOS中最基礎(chǔ)的邏輯電路，即逆變器，采用的是兩個(gè)串聯(lián)晶體管。NAND柵極需要3個(gè)串聯(lián)晶體管，這就意味著其需要比逆變器更高的電壓。如果要進(jìn)行調(diào)整以應(yīng)對過程的可變性——意味著需要設(shè)置更寬的電壓裕度以應(yīng)對器件與器件的差異——于是就需要如今所看到的接近1伏的電壓以確保運(yùn)行。

這些對電壓的需求，加上泄漏的問題，意味著MOSFET微型化正日漸式微，沒有出路。如果我們想要進(jìn)一步降低電壓以減少能量消耗，有兩個(gè)選擇（這兩個(gè)選擇都沒有什么吸引力）：我們可以降低通過器件的電流，這會(huì)降低啟動(dòng)速度，從而犧牲了性能；或者，可以保持電流的高水平，同時(shí)在關(guān)斷的時(shí)候允許更多電流向器件外泄漏。

這就是可以利用TFET之處。與在MOSFET中提高或降低源極和漏極之間的物理能壘不同，在TFET中我們采用柵極來控制能壘的實(shí)際電厚度，從而控制電子通過能壘的可能性。

這個(gè)做法的奧妙還是在于p-n結(jié)——但進(jìn)行了一些扭轉(zhuǎn)。在一個(gè)TFET中，半導(dǎo)體材料被安置在p-i-n和n-i-p的構(gòu)形中。其中“i”代表“固有”，意味著溝道擁有和空穴一樣多的電子。固有狀態(tài)與一個(gè)半導(dǎo)體所擁有的最大電阻率相對應(yīng)。它同時(shí)提高與溝道內(nèi)的能帶相關(guān)的能量，形成一個(gè)源極內(nèi)的電荷載子不太可能穿過的厚能壘。

電子和空穴都遵守量子力學(xué)定律，這意味著它們的大小是模糊不定的。當(dāng)能壘的厚度不到10納米時(shí)，一開始在能壘一側(cè)的電子就不太可能（但并非完全不可能）出現(xiàn)在另一側(cè)。

在TFET中，我們通過在晶體管柵極上施加電壓的方式來提高這種可能性。這使得源極內(nèi)的導(dǎo)帶和溝道內(nèi)的價(jià)帶重疊，開啟了一個(gè)隧穿窗口。要注意的是，在一個(gè)TFET中，電子在移動(dòng)至溝道時(shí)在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間隧穿。這與MOSFET中發(fā)生的情況形成鮮明對比。在一個(gè)MOSFET中，電子或者空穴主要是在一個(gè)帶或者另一個(gè)帶中穿行，一路從源極穿過溝道，最后到達(dá)漏極。

由于隧穿機(jī)制不是由能壘上的載流子流動(dòng)所控制的，啟動(dòng)TFET所要求的電壓擺幅可以比MOSFET小很多。只需施加足夠制造或移動(dòng)一個(gè)使導(dǎo)帶和價(jià)帶交叉或不交叉的重疊的電壓足矣。（見插圖“關(guān)斷和導(dǎo)通”。）

作為一個(gè)器件機(jī)制，隧穿并不是一個(gè)新概念。我們所使用的優(yōu)盤內(nèi)的閃存處理器、手機(jī)和其他裝置都采用了隧穿技術(shù)來將氧化阻擋層上的電子注入電荷捕獲區(qū)域。比如，在TFET中使用的隧穿結(jié)也廣泛地用于連接多結(jié)太陽能電池和觸發(fā)基于半導(dǎo)體的量子串級激光器。隧穿還控制著電流流過金屬半導(dǎo)體觸點(diǎn)（這是每個(gè)半導(dǎo)體設(shè)備的關(guān)鍵部分）的方式。

p-n隧穿結(jié)的研究也經(jīng)歷了一段時(shí)間。這一概念首先是由諾貝爾獎(jiǎng)得主江崎玲于奈在1957年論證并解釋的。但是，要讓業(yè)界認(rèn)真思考如何將隧穿應(yīng)用于邏輯，卻遇到了一個(gè)基本障礙。

直到十多年前才出現(xiàn)首篇關(guān)于TFET的論文。當(dāng)時(shí)芯片制造商開始發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘頻率失速，同時(shí)要應(yīng)對更加密集、漏電更多的芯片的散熱問題。

喬治?阿彭策勒（Joerg Appenzeller）和他IBM的同事們率先論證了低于MOSFET的每十進(jìn)位60毫伏限制的電流擺幅是可能的。2004年，他們報(bào)告說已經(jīng)制造出來一個(gè)隧穿晶體管，它的溝道由碳納米管制成。其亞閥值擺幅僅為每十進(jìn)位40毫伏。在幾年的時(shí)間內(nèi)，來自加州大學(xué)伯克利分校、法國微電子研發(fā)機(jī)構(gòu)CEA-LETI、比利時(shí)校際微電子中心和斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)體也紛紛效仿。他們的研究表明，使用芯片工業(yè)最主要的半導(dǎo)體材料硅和鍺，即可制造出每十進(jìn)位消耗量小于60毫伏的開關(guān)。

這一成果使業(yè)界非常興奮，因?yàn)殡m然TFET的電流控制機(jī)制對于半導(dǎo)體行業(yè)來說是一個(gè)新概念，但是這個(gè)裝置與MOSFET非常相似。它們有相同的基本配置（源極、漏極和柵極），當(dāng)連上電路時(shí)會(huì)產(chǎn)生相似的電學(xué)特性。半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)架構(gòu)無須改變。

但還是要進(jìn)行一些改變。研究結(jié)果顯示，硅和鍺對于隧穿來說并不是非常合適。正是出于同樣的原因，這些材料無法用于制造出好的光發(fā)射器和激光器。硅和鍺帶有間接能隙，這就意味著為了從一個(gè)能帶轉(zhuǎn)移到另一個(gè)能帶，電子還必須從組成該物質(zhì)的晶格的震蕩中吸收一些額外能量。這一額外的障礙顯著降低了電荷載子進(jìn)行跨越的可能性。于是，硅和鍺制成的TFET的電荷運(yùn)載能力跟今天的晶體管相比是微不足道的。

這對業(yè)界采用這一技術(shù)來說是一個(gè)巨大阻礙。不過，將從元素周期表第三行和第五行挑選出來的元素進(jìn)行混合，可制造出一系列隧穿可能性高得多的直接能隙材料。這些材料尚未應(yīng)用于邏輯芯片的大規(guī)模生產(chǎn)中，但將它們?nèi)诤线M(jìn)傳統(tǒng)的MOSFET中的工作已經(jīng)在加快進(jìn)行。在可預(yù)見的未來將它們應(yīng)用于邏輯芯片中的想法，現(xiàn)在看來已經(jīng)不像之前那樣顯得過于牽強(qiáng)。

對由III-V族元素制成的TFET的研究近些年也進(jìn)展飛快。蘇曼?達(dá)塔（Suman Datta）和他在賓夕法尼亞州立大學(xué)的同事在2009年率先對由這些元素制造的TFET進(jìn)行了論證。他們采用銦、鎵和砷的混合物來制造TFET溝道，并隨即創(chuàng)造了一項(xiàng)紀(jì)錄：“導(dǎo)通”的電流高達(dá)最好的鍺制TFET的50倍。

之后，賓州州立大學(xué)的團(tuán)隊(duì)和我位于印第安納州南本徳圣母大學(xué)的團(tuán)隊(duì)都研制出了產(chǎn)生更高電流的TFET，其原材料是兩種化合物的混合體：銻化鋁鎵和砷化銦。前一種物質(zhì)的能帶可以通過調(diào)整鋁和鎵的比例來上移或下移。這使得我們可以創(chuàng)造出能在兩個(gè)能帶之間自然重疊的隧穿結(jié)，意味著導(dǎo)通所需的電壓就可以減少。由于能壘可以非常薄——大約就一個(gè)單獨(dú)原子的寬度——更多的電流就可以通過。我們研制的這個(gè)器件只需0.5伏的電壓就可以良好地運(yùn)行，能夠承載將近200微安的電流通過1毫米寬的溝道，效果可與最先進(jìn)的MOSFET媲美。

需要注意的是，這些“異質(zhì)結(jié)”TFET的亞閥值擺幅目前都無法擊敗MOSFET的每十進(jìn)位60毫伏的限制。許多研究團(tuán)隊(duì)努力應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。問題的主要癥結(jié)是半導(dǎo)體和柵氧化層之間接口的電子缺失——許多缺失是由于不固定的化學(xué)鍵造成的。這些缺失會(huì)捕獲電荷或使電荷無法移動(dòng)，使得能用于傳導(dǎo)的電荷變少。這就意味著我們必須向柵極施加更高的電壓，以促進(jìn)溝道內(nèi)的電荷載子的活動(dòng)。

盡管有這個(gè)問題，我們還是有理由樂觀。位于俄勒岡州希爾斯伯勒的英特爾團(tuán)隊(duì)和位于日本札幌的北海道大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對亞閥值擺幅小于每十進(jìn)位60毫伏的III-V族元素的TFET進(jìn)行了論證。英特爾團(tuán)隊(duì)的模擬顯示，在不對材料進(jìn)行重大改變的情況下進(jìn)一步降低亞閥值擺幅是可能的，只須按比例縮小他們已經(jīng)研制出的晶體管即可。原則上，器件的亞閥值擺幅為每十進(jìn)位20毫伏左右是可能的；極限狀態(tài)將根據(jù)晶體的熱振動(dòng)來設(shè)定。熱振動(dòng)使得導(dǎo)帶和價(jià)帶的邊緣不那么鋒利。

正如50年以前難以預(yù)測MOSFET的極限能力一樣，現(xiàn)在要精確預(yù)測TFET最終會(huì)達(dá)到怎樣的水平也非常困難。

一個(gè)不確定因素是一個(gè)TFET在通電時(shí)能夠承載的最大電流是多少。導(dǎo)通的電流才是決定電路最大速度的最終因素。很長一段時(shí)間以來，研究人員一直認(rèn)為速度不會(huì)很快。但是，在2010年，IBM的西嶼?庫瓦塔（Siyu Koswatta）通過模擬顯示，僅施加0.4伏的電壓，銻化鎵和砷化銦就有可能在每1毫米寬的溝道內(nèi)承載1.9微安的電流。若可以制造出該器件，則它就可以與MOSFET在高性能應(yīng)用中進(jìn)行直接競爭。《國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖（ITRS）》提出的目標(biāo)是在0.73伏的電壓下每1毫米寬的溝道內(nèi)承載1.685微安的電流。

我們還需要解決在關(guān)斷狀態(tài)下TFET的電流泄漏問題。隨著溝道變得越來越短，電子將更加容易直接從源極隧穿到漏極。

器件最終極限的確定取決于若干因素，例如電子結(jié)構(gòu)、缺失，以及性能要求。幸運(yùn)的是，普渡大學(xué)和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)出的計(jì)算工具現(xiàn)在已經(jīng)可以讓研究人員模擬出整個(gè)器件，包括每一個(gè)原子和能帶，以預(yù)測器件的特性。這對指導(dǎo)試驗(yàn)非常有幫助。

雖然TFET的電子特征看上去前景非常光明，但在開始采用這些晶體管制造芯片之前還必須解決一些實(shí)際問題。研究人員一直將主要注意力放在開發(fā)n溝道的TFET上，而p溝道的TFET，以及可以將這兩種晶體管類型結(jié)合起來制造電路的互補(bǔ)加工技術(shù)則一直停留在制圖版上。

此外，芯片制造商們還必須找出解決變異性問題的方法。隨著MOSFET體積的縮小，摻雜物的添加和集中，以及界面的粗糙都會(huì)導(dǎo)致電子特性的顯著變異。當(dāng)TFET推出時(shí)，其體積很可能比MOSFET還要小。它也不可避免地會(huì)遇到這個(gè)問題。而對于MOSFET，我們必須想出其他并行方式，例如冗余和糾錯(cuò)，以解決這個(gè)問題。

盡管如此，我還是對將來取得更加令人滿意的成果的前景持樂觀態(tài)度。從開發(fā)第一個(gè)硅制MOSFET到第一個(gè)CMOS微處理器的誕生只間隔了10年。到TFET的跨越也許是個(gè)更大的挑戰(zhàn)，但是憑借著我們對半導(dǎo)體研究了半個(gè)多世紀(jì)積累下來的經(jīng)驗(yàn)，這一跨越的實(shí)現(xiàn)也許會(huì)比我們認(rèn)為的更快一點(diǎn)。?

編輯：黃飛

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