來(lái)源：半導(dǎo)體魚(yú)塘

1.10 量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管

前面的1.8節(jié)介紹了HEMT器件，但傳統(tǒng)的HEMT器件雖然具有高遷移率、高頻率等諸多優(yōu)點(diǎn)，但其命門在于結(jié)構(gòu)中的肖特基勢(shì)壘柵極，這種結(jié)構(gòu)的器件很難改善柵極漏電嚴(yán)重的問(wèn)題，存在著邏輯擺幅較小、抗噪聲能力差等問(wèn)題。

對(duì)于傳統(tǒng)的MOSFET器件，雖然因?yàn)闁艠O絕緣層的采用大大抑制了柵極漏流，但是硅溝道較低的電子遷移率也限制了其在超高頻、超高速等領(lǐng)域的應(yīng)用。

2009年Intel公司在砷化銦鎵（InGaAs）HEMT場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電極和勢(shì)壘層之間插入了一個(gè)高k柵介質(zhì)層，并給其取名為量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Quantum Well FET，QW FET）。

如下圖所示，這種量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管主要的特點(diǎn)是采用了InP基半導(dǎo)體和具有高k的柵介質(zhì)層。這里可以看出，Intel采用的襯底還是硅晶圓，然后在上面外延生長(zhǎng)不同的化合物材料。

InP基半導(dǎo)體材料是以InP單晶為襯底或緩沖層而生長(zhǎng)出的化合物半導(dǎo)體材料， 包括InGaAs、InAlAs、InGaAsP以及GaAsSb等材料。

如下為Intel公司研究量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的技術(shù)演進(jìn)圖。[Non-Planar, Multi-Gate InGaAs Quantum Well Field Effect Transistors with High-K Gate Dielectric and Ultra-Scaled Gate-to-Drain/Gate-to-Source Separation for Low Power Logic Applications]

從上圖可以看出InGaAs量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管（QWFET）從平面到非平面多柵極架構(gòu)的演變：

(a)平面肖特基柵QWFET，其源/漏區(qū)由n++型InGaAs cap層構(gòu)成，采用厚上勢(shì)壘層和硅δ摻雜；

(b) 平面QWFET結(jié)構(gòu)（與a類似），但將肖特基柵替換為high-K/金屬柵疊層結(jié)構(gòu)；

(c) 平面high-K QWFET（與b類似），但在源/漏區(qū)移除了厚上勢(shì)壘層和硅δ摻雜；

(d)非平面多柵極高K QWFET，其溝道呈“鰭”形，并采用超縮小的漏極-柵極和源極-柵極間距。

通過(guò)消除(c)和(d)中的厚上勢(shì)壘層及硅δ摻雜，同時(shí)利用n++型InGaAs cap層作為載流子供給層，實(shí)現(xiàn)了源/漏接觸面積的縮放并保持低電阻特性。

為進(jìn)一步提高量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能，相比于Fin結(jié)構(gòu)的三面柵壓控制，科學(xué)家和工程師們?cè)僖淮螌⒀酃夥旁谌鼑鷸沤Y(jié)構(gòu)晶體管上。如下面的專利所描述，肖德元老師提出了一種圓柱體全包圍柵量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管，通過(guò)其全包圍柵結(jié)構(gòu)來(lái)加強(qiáng)器件柵控能力、增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電流以及提高器件集成密度。

這種圓柱體全包圍柵量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)如下圖所示。這里假設(shè)InGaAs半導(dǎo)體納米線的直徑為D，寬禁帶InP半導(dǎo)體控制層厚度為d，可以通過(guò)電荷控制模型以及逐級(jí)溝道近似得到圓柱體全包圍柵量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的I-V關(guān)系。

首先求得溝道載流子濃度與Vgs的表達(dá)式，然后可以得到漏極電流的表達(dá)式。

假定載流子遷移率為常數(shù)，在低Vds條件下，溝道電流未達(dá)到飽和，通過(guò)沿溝道方向?qū)﹄妷悍e分可以得到圓柱體全包圍柵量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的I-V 特性。

當(dāng)Vds值增加，載流子達(dá)到飽和速度Vsat，I-V特性可以寫作1-91式。

跨導(dǎo)為描述輸入電壓變化對(duì)輸出電流的控制能力的參數(shù)，根據(jù)其定義可以直接得到跨導(dǎo)的表達(dá)式。

參照插入了一個(gè)高k柵介質(zhì)層的量子阱HEMT器件能帶圖，可以得到1-93的表達(dá)式。

柵氧電壓可以通過(guò)1-94、1-95和1-96來(lái)表示，InP寬禁帶半導(dǎo)體控制層勢(shì)壘彎曲量Vp2可以通過(guò)1-97式得到，這里的過(guò)程比較簡(jiǎn)明，不詳細(xì)說(shuō)明。

最后可以得到閾值電壓的表達(dá)式1-98，其中Qox為柵氧化層中的固定電荷面密度，φms為金屬柵電極與InP寬禁帶半導(dǎo)體控制層之間的功函數(shù)差。

1.11 小結(jié)

無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）通過(guò)消除源漏PN結(jié)、抑制短溝道效應(yīng)及提升載流子遷移率，展現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)MOSFET的潛力，結(jié)合高遷移率III-V族材料（如InGaAs）與三維FinFET/GAA結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，為突破硅基CMOS性能極限、實(shí)現(xiàn)高頻低功耗芯片提供了關(guān)鍵技術(shù)路徑，推動(dòng)微電子器件向異質(zhì)集成與后摩爾時(shí)代演進(jìn)。