納米級隧道效應(yīng)器件

集成電路問世以來，IC技術(shù)一直沿著電路和器件特征尺寸按比例縮小的辦法大踏步前進(jìn)，特征尺寸越小，電路和器件的性能越好。正由于此，上世紀(jì)末，Intel公司將集成度和性能都達(dá)到空前高水平的奔騰4芯片和PC送到用戶手上。目前MOSFET的溝道長度已趨近0.1mm(＝100nm），按比例縮小的辦法還能繼續(xù)下去嗎？答案是否定的。早在20年以前，著名的“半導(dǎo)體器件物理”一書的作者Ｓ.Ｍ.Ｓze就預(yù)計(jì)，傳統(tǒng)MOSFET的溝道長度應(yīng)大于約70nm。IBM研究中心的D.J.F.rank盼望能作出溝道長度達(dá)20-30nm的MOSFET，但是溝道再短就很困難了。也就是說20-30nm可能就是器件特征尺寸的物理極限。

為了減小器件特征尺寸，從而達(dá)到整體提升器件性能的目的，人們希望找到其它的方法來避開上述困難。在設(shè)法抑制短溝道效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)特征尺寸逼近物理極限時(shí)，基于量子隧道效應(yīng)的隧道效應(yīng)器件比傳統(tǒng)MOSFET好。換言之，雙電子層隧道晶體管和共振隧道二極管等隧道效應(yīng)器件比MOSFET更適合于納米電子學(xué)。

這是由美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室Ｊ.Simmons等人首先研究的隧道效應(yīng)器件。它由一個(gè)絕緣勢壘和兩個(gè)二維量子阱組成，絕緣勢壘位于兩個(gè)量子阱之間。為使器件正常工作，量子阱和勢壘厚度都很小，分別為15nm和12.5nm。由于勢阱厚度很小，勢阱可看成是二維的，電子運(yùn)動被限制在阱平面內(nèi)。Sandia的研究者們把Deltt和MOSFET作類比，稱上量子阱接觸(Top quantum well contact)為源(電極）。下量阱接觸(Bottom quantum well contact)為漏(電極）。器件工作時(shí)，由于量子力學(xué)隧道效應(yīng)，電子從上量子阱(Top quantum well)隧道穿過勢壘層到達(dá)下量子阱(Bottom quantum well)。

Deltt的結(jié)構(gòu)如圖１所示。和MOSFET相比，上量子阱相當(dāng)于源區(qū)，下量子阱相當(dāng)于漏區(qū)，勢壘區(qū)(Barrier)相當(dāng)于溝道，上控制柵(Top control gate)相當(dāng)于MOSFET的柵極；和上控制柵相對應(yīng)，還有背控制柵(Back control gate），這個(gè)柵通常不是必備的(optional）。從圖１可以看到，源漏電極都是平面型的。為了保證源電極只和上量子阱接觸，漏電極只和下量子阱接觸，Deltt還有背耗盡柵(Back depletion gate)和上耗盡柵(Top detletion gate）。

由量子力學(xué)理論可知：量子阱中的電子能級由阱的尺寸和勢壘高度決定，當(dāng)阱的尺寸很小時(shí)，電子能級間隔很大；當(dāng)由勢壘隔開的兩個(gè)量子阱中的電子能級相同(對準(zhǔn)）時(shí)，產(chǎn)生電子由一個(gè)阱到另一個(gè)阱的量子隧穿效應(yīng)，因?yàn)樵诹孔铀泶┻^程中，電子要遵守能量守恒和動量守恒原理。一般來講，在未加外電壓（包括源－漏電壓和柵壓）時(shí)，兩個(gè)量子阱中沒有相同的電子能級，因而沒有源——漏電流，器件是截止的。加上外電壓時(shí)，勢阱中電子能級會發(fā)生位移，電壓增大位移增大，當(dāng)兩個(gè)勢阱中的電子能級對準(zhǔn)時(shí)(共振），隧道效應(yīng)發(fā)生，器件導(dǎo)通。

Deltt的工作有類似MOSFET的一面：在某個(gè)源——漏電壓下，可由柵壓開關(guān)器件。但也有顯著不同的另一面：當(dāng)柵壓再上升，超過共振點(diǎn)時(shí)，電子隧穿過程中止，器件關(guān)閉。也就是說，Deltt微分電阻可正可負(fù)，在器件從導(dǎo)通態(tài)到截止態(tài)的工作區(qū)微分電阻為正，從導(dǎo)通態(tài)到截止態(tài)的工作區(qū)，微分電阻為負(fù)。

微分電阻可正可負(fù)的器件的主要優(yōu)點(diǎn)是，可用較少數(shù)量的器件完成相當(dāng)?shù)墓δ?。如用兩個(gè)Deltt串聯(lián)可組成CMOS電路中需要n型和p型兩種MOSFET的靜態(tài)隨機(jī)存儲器單元。

雙電子層晶體管用InP或GaAs等半導(dǎo)體平面工藝制造，例如用分子束外延(MBE)技術(shù)或金屬有機(jī)化合物汽相淀積(MOCVD）技術(shù)生長厚度合適的窄禁帶半導(dǎo)體薄層制得量子阱區(qū)，在其上再生長寬禁帶半導(dǎo)體層得到勢壘層。由于MOCVD和MBE技術(shù)生長的薄層厚度可控制在幾個(gè)納米以內(nèi)，量子阱和勢壘的厚度都可控制在幾個(gè)納米內(nèi)。Deltt的勢壘厚度相當(dāng)于MOSFET的“溝道”長度，電子渡越這種“溝道”靠的是比漂移運(yùn)動快得多的量子隧道運(yùn)動，因而Deltt的速度性能應(yīng)比MOSFET好。而Deltt事實(shí)上不存在MOSFET那樣的溝道，所以不會出現(xiàn)短溝道效應(yīng)。

限制Deltt速度性能進(jìn)一步提高的是它的RC時(shí)間常數(shù)。很薄的勢壘其電阻Ｒ可以做得很小，但兩個(gè)量子阱靠得很近，電容Ｃ很大。為了改進(jìn)速度性能j.Ｓimmons領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在下量子阱后又增加了第三個(gè)量子阱。第三阱非常厚，電子隧穿過第一個(gè)勢壘從上量子阱到下量子阱后，繼續(xù)隧穿過第二個(gè)勢壘到第三阱，在第三阱中被較大的電勢梯度加速。增加了第三個(gè)量子阱，不但改善了Deltt的速度性能，而且使Deltt的工作電壓從豪安量級提高到伏量級，使其能與現(xiàn)有電子器件和電路相匹配。

現(xiàn)在Deltt的工作溫度較低(０℃），人們努力的目標(biāo)是室溫工作。制作Deltt的材料是Ⅲ－Ｖ族化合物半導(dǎo)體，最合適的是InAlAs/InGaAs材料系。

共振隧道二極管是由勢壘和量子阱組成的二端器件，所用材料大都為Ⅲ－Ｖ化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)材料。麻省理工學(xué)院Ｒ.Ｈ.Ｍathews等人設(shè)計(jì)的RTD如圖２所示，量子阱為窄禁帶半導(dǎo)體InGaAs，勢壘為寬禁帶半導(dǎo)體AlAs。由于量子阱尺寸只有幾納米，量子阱中電子能級間隔很大，一般RTD的工作只和一個(gè)電子能級有關(guān)。圖中用細(xì)線畫出了被勢壘層AlAs隔開的左右兩個(gè)InGaAs勢阱中的電子能級。從上至下的三個(gè)分圖分別表示：隨著源——漏電壓Ｖsd的增加，左邊勢阱中的能級逐漸升高，由低于右邊勢阱中的能級(上圖）到等于右邊勢阱中的能級(中圖），到高于右邊勢阱中的能級(下圖）。源——漏電流isd也隨著Ｖsd的升高發(fā)生變化，先是增大，當(dāng)左、右勢阱中能級對準(zhǔn)(共振）時(shí)，Isd達(dá)到最大。通過共振點(diǎn)后，由于兩個(gè)勢阱中電子能級再次偏離，隧穿幾率減少，Isd下降，所以和Deltt類似，RTD的微分電阻也可正可負(fù)，利用這一特性，可用兩個(gè)背靠背連接的RTD和一個(gè)晶體管構(gòu)成靜態(tài)RAM單元，既節(jié)省芯片面積，又降低功耗。

RTD的高速性能是很突出的，比當(dāng)前最快的高電子遷移率晶體管(HEMT）還快，其振蕩頻率已做到700GHZ。人們利用RTD和HEMT組成RTD/HEMT電路，這種電路和HEMT相比，完成同樣的功能，元件數(shù)和芯片面積都下降了。例如RTD/HEMT比較器電路和HEMT比較器電路相比，元件數(shù)減少5/6，芯片面積減少3/4。

至今，和Beltt一樣，大多數(shù)RTD是用Ⅲ－Ｖ族化合物半導(dǎo)體，如GaAs和InP工藝制造的,主要用于軍事、國防領(lǐng)域，但也有人研發(fā)了類似的硅基共振隧道二極管——硅共振帶間隧道二極管（RITD）。將硅RITD和CMOS晶體管技術(shù)相結(jié)合,可改進(jìn)電路速度性能和減少電路管腳數(shù)。例如RITD/CMOS數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路和CMOS數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路相比，尺寸減少2/3，速度提高一倍,功耗大大降低(動態(tài)功耗降低到1/5.8，靜態(tài)功耗降低到1/2.3）。

致力開發(fā)和研究與CMOS電路相容的RTD制造工藝的Seabaugh認(rèn)為，在逼近IC技術(shù)物理極限的今天，只在CMOS電路制造工藝基礎(chǔ)上增加一塊掩膜的硅基RTD工藝，給CMOS電路的設(shè)計(jì)提供了新的柔性和活力?！?/font>