3 月 11 日消息，近日，IBM 歐洲研究中心和洛桑聯(lián)邦理工學院的研究人員研發(fā)出一種混合硅基器件。該器件結合了三五族場效應晶體管和金氧半場效晶體管的優(yōu)勢，能夠在不同電壓條件下實現(xiàn)較低的功耗，未來或可用于減少信通行業(yè)的碳足跡。

　　這項研究已發(fā)表于國際學術期刊《自然&ndash；電子學》，論文名稱為《集成在硅上的混合三五族場效應晶體管和金氧半場效晶體管技術平臺(A hybrid III&ndash；V tunnel FET and MOSFET technology platform integrated on silicon)》。

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　　一、兩種場效應管性能各有優(yōu)劣

　　摩爾定律決定了，縮小晶體管的尺寸成為全球半導體行業(yè)共同追逐的目標。但是，IBM 歐洲研究中心和洛桑聯(lián)邦理工學院的研究人員認為，在縮減晶體管尺寸以外，還有其他提升晶體管性能的方法。

　　研究人員注意到，金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)和隧道場效應晶體管(TFET)這兩種晶體管，具備著 互補的性能特點。

　　具體來說，MOSFET 作為應用最為廣泛的晶體管之一，其主要缺陷在于能耗過高。這是因為 MOSFET 不能在降低電壓供應的同時限制斷態(tài)漏電流(off-state leakage current)。

　　相比之下，TFET 可以利用量子力學隧穿(quantum mechanical tunneling)來克服這一缺陷。其中，在環(huán)境溫度下，三五族異質結的 TFET(III&ndash；V TFET，混合三五族場效應晶體管)僅需不到 60 mV 的柵極電壓擺幅，就可使漏電流發(fā)生數量級的變化。要注意的是，盡管 TFET 功耗較低，其在較高的驅動電壓下的速度和能效無法達到 MOSFET 的水平。

　　基于此，研究人員致力于結合 MOSFET 和 III&ndash；V TFET，從而創(chuàng)造出兼具兩種場效應管優(yōu)勢的器件。

　　二、首個基于兩種場效應管的混合硅基器件

　　研究人員分享了對這款硅基混合器件的具體設計思路：在較低電壓水平下，TFET 提供較低的泄露和良好的性能表現(xiàn)；(較高電壓水平下)在相同尺寸和偏差(bias)下，MOSFET 更快，并提供更好的電流驅動。

　　最終，研究團隊開發(fā)出一款混合硅基器件。基于該器件，用戶可實現(xiàn)混合邏輯塊，以適應不同類型設備的不同特性。

　　由于能夠在不同驅動電壓下到達較優(yōu)的功耗水平，這種新型器件或可用于研發(fā)節(jié)能電子產品。研究團隊成員之一 Clarissa Convertino 稱：這種低功耗技術平臺為未來節(jié)能電子產品鋪平了道路，最終目標是減少信息和通信行業(yè)的碳足跡。

　　根據初步評估結果，該器件能夠使 TFET 實現(xiàn) 42&thinsp；mV&thinsp；dec&minus；1 的最小閾下斜率(minimum subthreshold slope)、使 MOSFET 實現(xiàn) 62&thinsp；mV&thinsp；dec&minus；1 的最小亞閾值斜率。

　　Clarissa Convertino 向外媒 Tech Xplore 表示：我們展示了首個 MOSFET 和 III&ndash；V TFET 的混合技術平臺，(這項技術)具有可擴展的工藝，適于進行大規(guī)模半導體生產。

　　三、靈活適應工作環(huán)境背后技術揭秘

　　這款新型混合硅基器件如何靈活適應不同的工作條件？根據 Tech Xplore 報道，研究人員為該器件引入了一個 自對準的源更換步驟(self-aligned source-replacement step)。

　　在該技術平臺上，GaAsSb 源的位置通過數字刻蝕(digital etching)來確定。數字刻蝕是一個在納米尺度去除材料的過程。

　　另外，除了單一的掩模和外延步驟，用于開發(fā)新型器件的兩款場效應管完全相同。

　　Clarissa Convertino 稱，研究團隊還將探索研發(fā)其他工作條件下的超低功耗器件。在我們的下一步研究中，我們將進一步探索開發(fā)平臺的潛力及其在不同工作條件下的應用，例如在低溫甚至是毫開爾文狀態(tài)下。她說道。

　　結語：新型器件仍待市場檢驗

　　追求更高性能、更低功耗是半導體器件設計過程中永恒的追求。但隨著摩爾定律發(fā)展，晶體管尺寸逐漸逼近物理極限。

　　這一背景下，通過創(chuàng)新材料、創(chuàng)新架構等各種方式創(chuàng)造出性能優(yōu)異的器件，成為全球半導體產學界的努力方向之一。

　　本項研究通過創(chuàng)新地結合兩種不同場效應管，研發(fā)出適應不同電壓條件的低功耗混合器件。盡管仍待市場檢驗，該技術亦不失為一種成功的嘗試。