下一代3D晶體管，邁出重要一步

加州大學圣巴巴拉分校的研究人員利用二維 (2D) 半導體技術，研發(fā)出新型三維 (3D) 晶體管，這是半導體技術的重大進步。他們的方法為具有前所未有的微型化潛力的節(jié)能、高性能電子產品鋪平了道路。

「這一突破代表著我們朝著下一代晶體管技術邁出了重要一步，這種技術能夠支持計算和人工智能應用的快速發(fā)展，」電氣與計算機工程教授、納米電子學和二維材料領域知名專家 Kaustav Banerjee 表示?！竿ㄟ^將原子厚度的二維半導體集成到三維架構中，我們?yōu)樾阅芴嵘?、晶體管可擴展性和能源效率開辟了新的可能性?！?/span>

Banerjee 和他的團隊的研究成果發(fā)表在《自然電子》雜志上。

突破晶體管小型化的極限

為了提高現有設備的性能并推動新技術的進步，選擇的策略是將晶體管（現代電子產品的基本元件）小型化，以便更密集地封裝它們，并在相同尺寸的芯片上實現更多操作。

事實上，微型化領域一些最重要的進步已經促成了應變硅和高 k/金屬柵極場效應晶體管 (FET) 的設計和開發(fā)，這些晶體管解決了尺寸縮小難題并提高了性能。然而，就主流硅技術而言，晶體管只能縮小到一定尺寸，否則就會達到性能極限，尤其是在能效方面。這些限制被稱為「短溝道效應」，表現為亞閾值漏電流和開關不良，這使得在保持低功耗的同時縮小這些晶體管的尺寸變得困難。?

十多年前，隨著 Fin-FET 的引入，許多限制都得到了克服。Fin-FET 是一種 3D 架構，將「柵極」包裹在從晶體管源極到漏極的通道周圍，從而減輕了短通道效應，同時縮小了占位面積。然而，據作者稱，即使對于最先進的 Fin-FET 來說，將晶體管縮小到 10 納米以下通道長度，同時保持低功耗和良好的性能，也越來越具有挑戰(zhàn)性。

在這方面，UCSB 團隊的研究表明，當使用 2D 半導體實現 3D 柵極環(huán)繞 (GAA) 結構晶體管時，其增強的靜電特性可用于實現最終縮小的幾納米通道長度晶體管，從而顯著提高性能和能效。他們將這些 3D GAA 晶體管縮寫為 NXFET，其中 N=納米，X=片、叉或板，代表通道堆疊的拓撲結構。他們的研究確定了如何使用 2D 半導體獨特地設計此類晶體管。

三維全柵極 CMOS 場效應晶體管，形式為納米片、納米叉和納米板，全部由二維層狀半導體獨特實現。G=柵極，S=源極，D=漏極，Lch=通道長度

納米板 FET 的力量

具體而言，研究中引入的納米板 FET 架構被證明可以最大限度地發(fā)揮原子級厚度的 2D 材料（如二硫化鎢 (WS?)）的獨特性能。這種新穎的架構利用了 2D 層的橫向堆疊，類似于「板堆」，將集成密度提高了十倍，并具有等性能指標。

Banerjee 解釋道：「通過利用 2D 材料獨特的物理和量子力學特性，我們可以克服許多與用硅設計的傳統(tǒng) 3D 晶體管相關的限制。我們的模擬表明，納米板晶體管在能源效率和性能方面實現了顯著的改進，通道長度縮小到 5nm 以下。」

用于先進設計的尖端工具

該團隊利用最先進的模擬工具（包括 QTX，一種基于非平衡格林函數框架的量子傳輸工具）來評估其設計的性能。這種方法使他們能夠模擬關鍵因素，例如能帶非拋物線性、有限帶寬、接觸電阻和載流子遷移率，這些測量值描述了材料與穿過它的電荷載流子（如電子）之間的關系。為了提供準確的輸入參數，研究人員使用了密度泛函理論，該理論部分由已故的 Walter Kohn 開發(fā)，他是加州大學圣塔芭芭拉分校的物理學家，因「開發(fā)密度泛函理論」而獲得 1998 年諾貝爾化學獎。

該研究的主要作者阿納布·帕爾 (Arnab Pal) 說：「先進的量子傳輸方法與非理想接觸電阻和電容等實際考慮相結合，使我們的框架既全面又切合實際?！?/span>

轉變 CMOS 縮放比例

研究結果表明，基于 2D 半導體的 3D-FET 在驅動電流（操作器件的電流量）和能量延遲積（切換所需的能量）等關鍵指標方面優(yōu)于硅基 3D-FET。2D 材料的薄度可最大限度地降低器件電容，從而降低功耗，而其垂直堆疊則支持在制造過程中實現更好的縮放。

「我們的工作不僅展示了二維材料的潛力，還為將其集成到三維晶體管設計中提供了詳細的藍圖，」該研究的合著者曹偉說?！高@是半導體行業(yè)在尋求延續(xù)摩爾定律的過程中向前邁出的關鍵一步。」

著眼于未來的發(fā)展，UCSB 團隊計劃深化與行業(yè)合作伙伴的合作，以加速這些技術的采用。他們還計劃通過納入缺陷散射和自熱等其他現實因素來改進模型，以支持實驗驗證。

「這項研究代表了基礎科學和實用工程的一次激動人心的融合，」Banerjee 總結道?！肝覀冎铝τ谕苿佣S半導體從實驗室向實際應用的轉變?！?/span>

這項創(chuàng)新的影響超出了傳統(tǒng)計算的范圍，在邊緣 AI、柔性電子和物聯網超低功耗設備方面都有潛在應用。這些發(fā)現還鞏固了加州大學圣巴巴拉分校在先進半導體研究方面的領導地位，延續(xù)了其在電子和光子技術領域取得開創(chuàng)性突破的傳統(tǒng)。