tyndall-341-nnano译文硅纳米线晶体管

纳米线无结晶体管

所有现存的晶体管都是基于使用向半导体材料当中引入掺杂原子后构成的半导体结来制作完成的。随着现代器件当中的半导体结之间的距离降低到10nm以下，超出以往的的高

掺杂浓度梯度已经变得非常必要。由于扩散定律和掺杂区域的统计学原理的诸多限制，半导体业在制造这种半导体结上勉励着越来越重大的困难。在这篇文章当中，我们提出并描述一

种新型的晶体管，这种晶体管没有PN结也没有掺杂浓度梯度。这种器件拥有全部的CMOS 功效并采用硅纳米线构成。他们拥有接近理想的亚阈值坡度，极低的泄漏电流，在栅压和温

度条件下比经典的晶体管结构在迁移率方面有更小的退化。

所有现存的晶体管都是基于PN结结构制作的。PN结根据所加的偏置实现允许电流通

过和阻止电流的功能。他们的结构是由两块极性相反的半导体相接触构成的.最常见的结就是PN结，它是由富含空穴的P型硅和富含电子的N型硅的接触构成的。每一本关于半导

体器件物理的书都包含一章讲解PN结，通常是处在讲解半导体材料基础的介绍性章节和详

细介绍不同种类的晶体管的章节之间。其他种类的结包括金属和硅组成的肖特基结和异质结，它是一种由两种不同的半导体材料组成的PN结。双极晶体管包含两个PN结，MOSFET

晶体管也是如此。结型晶体管只有一个PN结，MESFET晶体管包含一个肖特基晶体管。

第一个有关晶体管原理的专利是由奥匈帝国物理学家Julius Edgar Lilienfield 于1925年

10月22日在加拿大注册的。他在几年之后用 "Device for controlling electric current ”的名字在美国注册了这种器件。但是他从来没有发表过任何关于这种器件的研究文章。这个

Lilienfield晶体管是一个场效应晶体管，有点像现代的金属氧化物场效应晶体管。它的结构是这样的：一个薄的半导体薄膜放置在一个薄的绝缘层上，这个结构又放置在一个金属电极

上。最后的这个金属电极就像一个器件的栅极一样去工作。工作的时候，电阻中的电流在两

个接触的电极之间流动，就像现在的MOS晶体管中在源极和漏极之间的漏极电流一样。这

个Lilienfield器件就是一个简单的电阻，应用到的这个门电压可以使半导体薄膜里的载流子耗尽，从而改变它的导电性。理想的状态下，应该可以去完全的去耗尽半导体薄膜中的载流子，这种情况下器件的电阻值近似无穷大。

Lilie nfield晶体管，与其他类型的晶体管不同，它不包括任何结。尽管不带任何半导体结的晶体管的想法可能会显得非主流，可是晶体管的这个名字也的确没有表明半导体结的存

在。晶体管是一个固态活动的晶体管，它可以控制电流，并且晶体管这个词也是一个可变和

电阻器的合成词。从技术上讲，Lilie nfield晶体管是一个门控的可变电阻器。也就是说，它

是一个有一个控制载流子密度（或者说电流）的门的电阻。它是最简单和首个被申请专利的

晶体管结构。但是不幸的是，在Lilienfield的时代可用的技术不足以制造一个可利用的器件。

图一

图一展示了一个无结纳米线门控电阻器的结构图。无结是一个巨大的进步。现代的晶体管尺寸已经达到了如此小的数量级以至于在半导体结中高精度的掺杂浓度梯度被需求：非常典型的例子便是掺杂浓度在几纳米的范围内必须从N型的1 I019cm -3转换到P型的

1 1018cm」。这给热累积的处理和昂贵的毫秒退火技术的应用强加了严格的限制。与此不

同的是，在无结的门控电阻中，沟道的掺杂浓度与源极和漏极的完全相同。因为源极和沟道、漏极和沟道的掺杂浓度梯度为零，不会发生扩散，这就消除了昂贵的快速退火技术的需求并且允许器件的结构中应用更短的沟道。

制作一个无结的门控电阻的关键就是在器件关闭时允许载流子全耗尽的足够薄且窄的半导体层的制作。半导体也需要重掺杂来保证在器件开启时有一个合理的电流值。把这两个条件组合在一起就引出了纳米级结构和高掺杂浓度的应用。这种门控电阻的工作状态已经于

最近被一些组织通过模拟的方式探索了出来。这其中包括Technische Universitat Munchen,

Carnegie Mello n Uni versity, IMEC and the Tyn dall Natio nal In stitute 等高校。不同的团队为他

们的器件起了不同的名字：垂直狭缝场效应晶体管（VeSFET），纳米线开关场效应晶体管，

还有无结多栅场效应晶体管，但是所有的这些器件都有相同的工作原理。更普遍意义上来说，纳米线节后正在逐渐被认同为未来纳米级晶体管结构的最佳的选择。

一个极其简单的晶体管结构描述

图二

绝缘体上硅结构可以被用来生产高质量的只有几纳米厚度的单晶硅薄膜。使用商业的

SOI硅片和电子束印制技术，我们已经可以制造并定义几十纳米宽和十纳米厚的纳米线硅。

在生长了10nm厚的栅氧化层之后，纳米线被用离子注入均匀地掺杂，使用砷来掺杂N型的

器件，使用BF2来掺杂P型的器件。植入杂质的能量和剂量被准确的选择来精确的量产掺杂浓度从2

1019

atoms cm 到5 1019atoms cm 不等的硅圆片。这样高浓度的掺杂水平从早就被选用为CMOS器件的

源极和漏极区域的标准浓度。在门控电阻中，高掺杂被需要来确保较高的电流驱动和好的源漏接触电阻。它也规定使用足以使通道区域完全耗尽的几何

尺寸足够小的纳米线，这对于器件的完全关闭是必要的。门栅是在550摄氏度的低压化学气

相淀积LPCVD反应器中用无定形硅淀积制造而来，它的厚度有50nm。在经过了剂量在

14 9

2 10 cm 的硼或砷离子的P型栅或N型栅的重掺杂之后，这些样品在氮气环境下退火30分钟来激活掺杂的杂质并将无定形硅的门栅材料转化为多晶硅。在这之后门栅电极被放在反应离子刻蚀器中被刻蚀。

图二展示的是电学显微镜下的五个并联硅门控电阻，他们的结