2nm后的晶体管，20年前就预言了

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文章摘要

【关键词】 GAA晶体管、早期研究、Si VINFET、晶体管性能、芯片制造

随着芯片制造工艺进入2nm时代，GAA晶体管逐渐成为主流。这一技术最早在2006年就有相关研究，其中华人杨培东是参与者之一。

早期研究展示新方法

劳伦斯伯克利国家实验室近20年前的研究，展示了创建环栅场效应晶体管（GAA – FET）的创新方法。GAA – FET能将数十亿晶体管封装到微型芯片中，“环栅”设计增强了对晶体管沟道的控制，提高性能并降低功耗。当时业界多采用传统自上而下制造方式，而伯克利实验室的自下而上方法，利用化学合成实现复杂结构。杨培东团队2006年通过化学气相沉积（CVD）技术制造硅基环栅晶体管，其自下而上的硅纳米线晶体管性能与当时标准晶体管相当。近年来，微芯片制造商开始采用环栅概念，通过自上而下方法实现架构。杨教授的研究证明了GAA – FET架构的可行性，早期概念验证工作为后续研发提供信心。

硅垂直集成纳米线场效应晶体管

传统平面金属 – 氧化物 – 半导体场效应晶体管面临短沟道效应、栅极氧化物厚度缩放和功耗增加等问题，新型晶体管结构需求迫切。硅纳米线为制备小尺寸单晶硅结构提供途径，硅垂直集成纳米线场效应晶体管（Si VINFET）具有应用前景。其环绕栅极结构亚阈值特性优异，短沟道效应降低，可提高单位面积晶体管密度，还能消除滞后现象。

研究团队在重硼掺杂p型硅衬底上生长垂直取向硅纳米线，采用传统超大规模集成电路工艺制备器件。硼掺杂的Si VINFET表现为积累型p型晶体管，平均阈值电压为 – 0.39±0.19V，Ids – Vgs曲线无滞后现象。跨导、迁移率、开关电流比、亚阈值斜率等性能参数与其他晶体管相当。已成功制备超薄沟道晶体管，部分器件表现出双极性行为。器件Ids – Vds曲线有整流特性，降低接触电阻可改善性能。采用电阻 – 晶体管逻辑制备的反相器电路，电压增益约为28，适用于微电子应用。

原型Si VINFET器件结合硅纳米线外延生长与自上而下制备工艺，第一代未优化器件传输性能与标准平面MOSFET和其他纳米线器件相当。未来通过优化工艺等，有望在小于10纳米尺度下与当前先进固态器件竞争。